Компьютеры могут становиться меньше и мощнее, но для их работы требуется много энергии. Общее количество энергии, которое США тратит на вычисления, резко возросло за последнее десятилетие и быстро приближается к уровню других основных секторов, таких как транспорт.

В исследовании, опубликованном на этой неделе в онлайн-журнале Nature Калифорнийского университета в Беркли, инженеры описывают крупный прорыв в конструкции компонента транзисторов — крошечных электрических переключателей, из которых состоят строительные блоки компьютеров — которые могут значительно снизить их энергопотребление . без ущерба для скорости, размера или производительности. Компонент, называемый оксидом затвора, играет ключевую роль в включении и выключении транзистора.

«Мы смогли показать, что наша технология оксида затвора лучше, чем коммерчески доступные транзисторы: то, что сегодня может сделать полупроводниковая промышленность стоимостью в триллион долларов, — мы можем превзойти их», — сказал старший автор исследования Сайеф Салахуддин, заслуженный профессор TSMC. Электротехника и информатика в Калифорнийском университете в Беркли.

Это повышение эффективности стало возможным благодаря эффекту, называемому отрицательной емкостью, который помогает уменьшить величину напряжения, необходимого для хранения заряда в материале. Салахуддин теоретически предсказал существование отрицательной емкости в 2008 году и впервые продемонстрировал эффект в сегнетоэлектрическом кристалле в 2011 году.

Новое исследование показывает, как можно добиться отрицательной емкости в инженерном кристалле, состоящем из многослойного пакета оксида гафния и оксида циркония, который легко совместим с передовыми кремниевыми транзисторами. Путем включения материала в модели транзисторов исследование демонстрирует, как эффект отрицательной емкости может значительно снизить величину напряжения, необходимого для управления транзисторами, и, как следствие, количество энергии, потребляемой компьютером.

«За последние 10 лет энергия, используемая для вычислений, увеличилась в геометрической прогрессии, и уже составляет однозначные проценты от мирового производства энергии, которые растут только линейно, и конца этому не видно», — сказал Салахуддин. «Обычно, когда мы используем наши компьютеры и мобильные телефоны, мы не задумываемся о том, сколько энергии мы используем. Но это огромное количество, и оно будет только расти. Наша цель — уменьшить потребление энергии. потребности этого базового строительного блока вычислений, потому что это снижает потребность в энергии для всей системы».

Привнесение отрицательной емкости в реальную технику

Современные ноутбуки и смартфоны содержат десятки миллиардов крошечных кремниевых транзисторов, каждый из которых должен управляться подачей напряжения. Оксид затвора представляет собой тонкий слой материала, который преобразует приложенное напряжение в электрический заряд, который затем переключает транзистор.

Отрицательная емкость может повысить производительность оксида затвора за счет снижения величины напряжения, необходимого для достижения заданного электрического заряда. Но эффект не может быть достигнут в любом материале. Создание отрицательной емкости требует тщательного управления свойством материала, называемым сегнетоэлектричеством, которое возникает, когда материал проявляет спонтанное электрическое поле. Ранее такой эффект достигался только в сегнетоэлектрических материалах, называемых перовскитами, кристаллическая структура которых несовместима с кремнием.

В исследовании команда показала, что отрицательная емкость также может быть достигнута путем объединения оксида гафния и оксида циркония в инженерную кристаллическую структуру , называемую сверхрешеткой, что приводит к одновременному возникновению сегнетоэлектричества и антисегнетоэлектричества.

«Мы обнаружили, что эта комбинация на самом деле дает нам еще лучший эффект отрицательной емкости, который показывает, что этот феномен отрицательной емкости намного шире, чем первоначально предполагалось», — сказал соавтор исследования Сурадж Чима, научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли. «Отрицательная емкость возникает не только в традиционной картине сегнетоэлектрика с диэлектриком, что изучалось в течение последнего десятилетия. Вы можете сделать эффект еще сильнее, создав эти кристаллические структуры для использования антисегнетоэлектричества в тандеме с сегнетоэлектричеством. »

Исследователи обнаружили, что структура сверхрешетки, состоящая из трех атомарных слоев оксида циркония, зажатых между двумя отдельными атомными слоями оксида гафния, общей толщиной менее двух нанометров, обеспечивает наилучший эффект отрицательной емкости. Поскольку в большинстве современных кремниевых транзисторов уже используется 2-нанометровый оксид затвора, состоящий из оксида гафния поверх диоксида кремния, и поскольку оксид циркония также используется в кремниевых технологиях, эти сверхрешетчатые структуры можно легко интегрировать в усовершенствованные транзисторы.

Чтобы проверить, насколько хорошо структура сверхрешетки будет работать в качестве оксида затвора, команда изготовила транзисторы с коротким каналом и проверила их возможности. Этим транзисторам потребуется примерно на 30 % меньше напряжения при сохранении стандартов полупроводниковой промышленности и без потери надежности по сравнению с существующими транзисторами.

«Одна из проблем, с которой мы часто сталкиваемся в такого рода исследованиях, заключается в том, что мы можем продемонстрировать различные явления в материалах, но эти материалы несовместимы с передовыми вычислительными материалами, и поэтому мы не можем принести пользу реальным технологиям», — сообщил Салахуддин. «Эта работа превращает отрицательную емкость из академической темы во что-то, что действительно можно использовать в усовершенствованном транзисторе».