Νέα υλικά ενισχύουν την ενεργειακή απόδοση των μικροηλεκτρονικών

Οι ερευνητές του MIT ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο κατασκευής που μπορεί να επιτρέψει την παραγωγή πιο ενεργειακά αποδοτικών ηλεκτρονικών, στοιβάζοντας πολλαπλά λειτουργικά εξαρτήματα πάνω σε ένα υπάρχον κύκλωμα. Σε παραδοσιακά κυκλώματα, οι λογικές συσκευές που εκτελούν υπολογισμούς, όπως οι τρανζίστορ, και οι συσκευές μνήμης που αποθηκεύουν δεδομένα κατασκευάζονται ως ξεχωριστά εξαρτήματα, αναγκάζοντας τα δεδομένα να μετακινούνται μεταξύ τους, σπαταλώντας έτσι ενέργεια.

Ενοποίηση εξαρτημάτων για καλύτερη απόδοση

Η νέα πλατφόρμα ενσωμάτωσης ηλεκτρονικών επιτρέπει στους επιστήμονες να κατασκευάζουν τρανζίστορ και συσκευές μνήμης σε μια συμπαγή στοίβα πάνω σε ένα ημιαγωγό. Αυτό εξαλείφει μεγάλο μέρος της σπατάλης ενέργειας, ενώ αυξάνει την ταχύτητα υπολογισμού. Το κλειδί σε αυτή την πρόοδο είναι ένα νέο υλικό με μοναδικές ιδιότητες και μια πιο ακριβή προσέγγιση κατασκευής που μειώνει τον αριθμό των ελαττωμάτων στο υλικό.

Αυτό επιτρέπει στους ερευνητές να κατασκευάζουν εξαιρετικά μικρά τρανζίστορ με ενσωματωμένη μνήμη που μπορούν να λειτουργούν ταχύτερα από τις πιο σύγχρονες συσκευές, ενώ καταναλώνουν λιγότερη ηλεκτρική ενέργεια. Βελτιώνοντας την ενεργειακή απόδοση των ηλεκτρονικών συσκευών, αυτή η νέα προσέγγιση μπορεί να βοηθήσει στη μείωση της αυξανόμενης κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας για υπολογισμούς, ειδικά για απαιτητικές εφαρμογές όπως η γενετική τεχνητή νοημοσύνη, η βαθιά μάθηση και τα καθήκοντα υπολογιστικής όρασης.

Νέες προκλήσεις και προοπτικές

«Πρέπει να ελαχιστοποιήσουμε την ποσότητα ενέργειας που χρησιμοποιούμε για την τεχνητή νοημοσύνη και άλλους υπολογισμούς δεδομένων στο μέλλον, γιατί απλά δεν είναι βιώσιμο. Θα χρειαστούμε νέα τεχνολογία όπως αυτή η πλατφόρμα ενσωμάτωσης για να συνεχίσουμε αυτή την πρόοδο», λέει ο Yanjie Shao, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο MIT και κύριος συγγραφέας δύο εργασιών για αυτά τα νέα τρανζίστορ.

Η νέα τεχνική περιγράφεται σε δύο εργασίες (μία εκ των οποίων προσκλήθηκε) που παρουσιάστηκαν στο IEEE International Electron Devices Meeting. Ο Shao συνεργάζεται στις εργασίες με τους ανώτερους συγγραφείς Jesús del Alamo, Καθηγητή Μηχανικής στο MIT, και τον Δημήτρη Αντωνιάδη, Καθηγητή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Επιστήμης Υπολογιστών στο MIT, καθώς και άλλους στο MIT, το Πανεπιστήμιο του Waterloo και την Samsung Electronics.

Αναστρέφοντας το πρόβλημα

Τα τυπικά τσιπ CMOS έχουν ένα εμπρόσθιο μέρος, όπου κατασκευάζονται τα ενεργά εξαρτήματα όπως τα τρανζίστορ και οι πυκνωτές, και ένα οπίσθιο μέρος που περιλαμβάνει καλώδια και άλλες μεταλλικές συνδέσεις που συνδέουν τα εξαρτήματα του τσιπ. Όμως, κάποια ενέργεια χάνεται όταν τα δεδομένα μετακινούνται μεταξύ αυτών των συνδέσεων, και μικρές ασυμφωνίες μπορούν να επηρεάσουν την απόδοση.

Η στοίβαξη ενεργών εξαρτημάτων θα μείωνε την απόσταση που πρέπει να διανύσουν τα δεδομένα και θα βελτίωνε την ενεργειακή απόδοση του τσιπ. Συνήθως, είναι δύσκολο να στοιβάζονται πυρίτινα τρανζίστορ σε ένα τσιπ CMOS λόγω της υψηλής θερμοκρασίας που απαιτείται για την κατασκευή επιπλέον συσκευών στο εμπρόσθιο μέρος, η οποία θα κατέστρεφε τα υπάρχοντα τρανζίστορ από κάτω.

Η καινοτομία της νέας μεθόδου

Οι ερευνητές του MIT ανέπτυξαν μια τεχνική ενσωμάτωσης για να στοιβάζουν ενεργά εξαρτήματα στο οπίσθιο μέρος του τσιπ. «Αν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτή την πλατφόρμα στο οπίσθιο μέρος για να προσθέσουμε επιπλέον ενεργά στρώματα τρανζίστορ, όχι μόνο συνδέσεις, τότε η πυκνότητα ενσωμάτωσης του τσιπ θα είναι πολύ υψηλότερη και θα βελτιώσει την ενεργειακή του απόδοση», εξηγεί ο Shao.

Οι ερευνητές πέτυχαν αυτό το αποτέλεσμα χρησιμοποιώντας ένα νέο υλικό, το άμορφο οξείδιο του ινδίου, ως το ενεργό στρώμα καναλιού του οπίσθιου τρανζίστορ. Το ενεργό στρώμα καναλιού είναι το μέρος όπου πραγματοποιούνται οι κύριες λειτουργίες του τρανζίστορ. Λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων του οξειδίου του ινδίου, μπορούν να “αναπτύξουν” ένα εξαιρετικά λεπτό στρώμα αυτού του υλικού σε μια θερμοκρασία μόλις 150 βαθμών Κελσίου στο οπίσθιο μέρος ενός υπάρχοντος κυκλώματος χωρίς να καταστρέψουν τη συσκευή στο εμπρόσθιο μέρος.

Τελειοποιώντας τη διαδικασία

Βελτιστοποίησαν προσεκτικά τη διαδικασία κατασκευής, μειώνοντας τον αριθμό των ελαττωμάτων σε ένα στρώμα υλικού οξειδίου του ινδίου που έχει πάχος μόλις 2 νανόμετρα. Λίγα ελαττώματα, γνωστά ως κενές θέσεις οξυγόνου, είναι απαραίτητα για να ενεργοποιηθεί το τρανζίστορ, αλλά με πάρα πολλά ελαττώματα δεν θα λειτουργήσει σωστά.

Αυτή η βελτιστοποιημένη διαδικασία κατασκευής επιτρέπει στους ερευνητές να παράγουν ένα εξαιρετικά μικρό τρανζίστορ που λειτουργεί γρήγορα και καθαρά, εξαλείφοντας μεγάλο μέρος της πρόσθετης ενέργειας που απαιτείται για να ενεργοποιηθεί ή να απενεργοποιηθεί το τρανζίστορ. Χρησιμοποιώντας αυτή την προσέγγιση, κατασκεύασαν επίσης τρανζίστορ με ενσωματωμένη μνήμη στο οπίσθιο μέρος που έχουν μέγεθος μόλις περίπου 20 νανόμετρα.

Γιατί έχει σημασία

Η βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης των ηλεκτρονικών συσκευών είναι κρίσιμης σημασίας σε μια εποχή όπου οι απαιτήσεις για υπολογιστική ισχύ αυξάνονται εκθετικά. Ειδικά για εφαρμογές όπως η τεχνητή νοημοσύνη και η επεξεργασία μεγάλων δεδομένων, η μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης μπορεί να έχει σημαντικό αντίκτυπο τόσο οικονομικά όσο και περιβαλλοντικά. Αυτή η καινοτομία του MIT ανοίγει νέους δρόμους για την ανάπτυξη πιο αποδοτικών, μικρότερων και πιο ισχυρών ηλεκτρονικών συσκευών.