Даже самую сложную обработку данных на компьютере можно разбить на небольшие, простые логические шаги: вы можете складывать отдельные биты вместе, вы можете инвертировать логические состояния, вы можете использовать такие комбинации, как «И» или «ИЛИ». Такие операции реализуются на компьютере с помощью очень специфических наборов транзисторов. Эти наборы затем образуют более крупные схемные блоки, которые выполняют более сложные манипуляции с данными.
Однако в будущем конструкция электронных схем может выглядеть совершенно иначе: в течение многих лет люди размышляли о возможностях, предлагаемых электронными схемами, которые не выполняют физически фиксированную задачу, но могут гибко переключаться в зависимости от поставленной задачи. — новый вид перепрограммирования, который происходит не на программном уровне, а на фундаментальном аппаратном уровне: непосредственно на транзисторах, наноразмерных строительных блоках электронных схем.
Именно этого сейчас достигла исследовательская группа из Венского технического университета: они разработали интеллектуальные управляемые транзисторы и объединили их в схемы, которые можно надежно и быстро переключать между различными задачами. Это означает, что те же функции, что и раньше, можно разместить на меньшем пространстве кристалла.
Это не только экономит производственные затраты, но и энергию, а также обеспечивает более высокую скорость вычислений. Исследование опубликовано в журнале IEEE Transactions on Electron Devices.
Совершенно новая концепция транзистора
«В микроэлектронике мы обычно работаем с намеренно загрязненными полупроводниками», — объясняет профессор Вальтер М. Вебер из Института твердотельной электроники Венского технического университета. «Таким материалом может быть, например, кремний, в который включены определенные инородные атомы. Это называется легированием».
Эти чужеродные атомы либо имеют на один электрон больше, чем атомы вокруг них; в этом случае дополнительный электрон может относительно легко перемещаться внутри материала. Или у них на один электрон меньше, и электроны из их окружения могут двигаться внутрь; в этом случае электрон отсутствует в другом месте — вместо электрона в материале движется так называемая «дырка»: место, где отсутствует электрон.
Оба — перенос заряда движущимися электронами и перенос заряда движущимися дырками — играют важную роль в микроэлектронике. Легирование определяет, где и в каком направлении ток может течь, а где нет. Это означает, что функция обычных транзисторов фиксирована во время производства и уже не может быть изменена. Затем ток через транзистор включается или выключается с помощью управляющего электрода.
Но есть и другой путь: транзисторы, разработанные в Венском техническом университете в последние годы, вообще больше не содержат легированных материалов. Вместо этого поведение носителей заряда в материале контролируется электрическими полями: электрический заряд вводится в транзистор через дополнительный электрод, который определяет, как должен вести себя транзистор. Это известно как «электростатическое легирование». Он заменяет технически очень сложный и дорогостоящий процесс легирования инородными атомами.
«В отличие от традиционной полупроводниковой технологии, логическая работа конкретной схемы не определена с самого начала. Мы можем переконфигурировать функцию схемы в соответствии с нашими требованиями», — объясняет доктор Масиар Систани (также Институт твердотельной электроники Венского технического университета). «Например, вы можете сделать схему сложения из двух очень компактных связей XOR, используя нашу технологию. При использовании традиционной технологии вам пришлось бы создавать две разные схемы для этих задач и, следовательно, занимать гораздо больше места на кристалле; с нашей технологией, можно сделать и то, и другое».
Чтобы достичь максимальной гибкости, необходимо было разработать компоненты, которые могли бы работать либо путем транспортировки электронов, либо путем транспортировки дырок, в зависимости от необходимости, и с одинаковыми переключающими свойствами — основная проблема, которую удалось решить в Венском техническом университете.
Это означает, что на одной и той же площади поверхности можно разместить больше функциональных возможностей, а это решающий параметр для индустрии микросхем. «В современных чипах есть разные блоки, которые могут выполнять очень специфические задачи», — объясняет Лукас Винд (аспирант Института твердотельной электроники Венского технического университета).
«Вам приходится постоянно отправлять информацию из одного блока в другой. Это требует времени и затрат энергии». Благодаря новой, более гибкой технологии одна и та же информация может обрабатываться эффективно и ресурсосберегающе в одном месте.
Не только транзисторы, но и функциональные схемы
Команда представила первые интеллектуальные настраиваемые транзисторы в 2021 году. Однако теперь решающий шаг был сделан: они смогли показать, что все основные логические схемы действительно могут быть собраны из них — и что их можно преобразовать в другие схемы. путем перенастройки компонентов.
Исследовательская группа уже сотрудничает с компаниями из индустрии микросхем. «Интерес большой», — говорит профессор Вальтер Вебер. «Конечно, это значительный шаг, который невозможно реализовать изо дня в день. Но наш подход не требует каких-либо новых материалов или процессов; мы используем кремний и германий, материалы, которые также используются сегодня».
На протяжении десятилетий прогресс в микроэлектронике основывался преимущественно на миниатюризации отдельных компонентов. Однако в последнее время естественные пределы были достигнуты — самое позднее, когда вы дойдете до атомного масштаба, дальнейшая миниатюризация уже невозможна. Именно поэтому интеллектуальные реконфигурируемые компоненты могут стать интересным вариантом для интеллектуальных, самообучающихся или даже нейронных компьютерных систем, которые могут адаптировать свои функции к профилю требований, чтобы выполнять вычисления максимально быстро и с минимальным энергопотреблением.
