(PhysOrg.com) -- I computer del futuro potrebbero funzionare non con gli elettroni, ma su onde minuscole che viaggiano attraverso un "fluido" di elettroni, " se una nuova proposta ha successo. Il nuovo design del circuito, recentemente introdotto dal Dr. Héctor J. De Los Santos, CTO di NanoMEMS Research, LLC, ad Irvine, California, potrebbe essere un candidato promettente per sostituire i circuiti basati su CMOS, e infine continuare la crescita della densità del circuito descritta dalla legge di Moore.

Come predisse Gordon Moore più di 40 anni fa, il numero di transistor in grado di adattarsi a un chip di computer è raddoppiato circa ogni 18 mesi. Ma se la tendenza è quella di continuare per gli anni a venire, dovrà essere con una tecnologia diversa dal design CMOS convenzionale. Man mano che le dimensioni dei transistor scendono alla nanoscala, I dispositivi CMOS iniziano a soffrire di diversi problemi, come una maggiore resistenza, ridotta mobilità del canale, e aumento dei costi di produzione.

Per superare le sfide legate al ridimensionamento, ricercatori di tutto il mondo hanno iniziato a cercare alternative alla tecnologia CMOS. Il concetto di De Los Santos, chiamata logica nano-elettrone-fluidica (NFL), si basa sul flusso di plasmoni in un gas di elettroni simile a un fluido (fondamentalmente un fluido di elettroni). Prevede che le porte logiche con il design NFL offrono il potenziale per velocità di commutazione a femtosecondi e dissipazioni di potenza sub-femtojoule a temperatura ambiente, numeri che sarebbero estremamente in grado di continuare la legge di Moore oltre il CMOS. L'articolo di De Los Santos sarà pubblicato in un prossimo numero di Transazioni IEEE sulla nanotecnologia .

Come spiega De Los Santos, il concetto di NFL sfrutta le proprietà delle onde di plasma di superficie (SPW). Queste onde si propagano sullo strato di inversione all'interfaccia isolante porta-semiconduttore (che, in questo caso, incorpora un fluido elettrico) e si comporta come una guida d'onda SPW. Quando due SPW si scontrano, si respingono. Nella configurazione del dispositivo, un SPW viene lanciato da una particolare direzione per scontrarsi con un altro SPW, facendolo disperdere in una delle due direzioni, dove viene rilevato e interpretato come un "1" o, se non rilevato, uno "0".

Per iniziare il processo, un SPW viene lanciato in un canale pieno di fluido elettronico che si biforca in due canali, ciascuno con un rilevatore alla fine. In assenza di forze esterne, la SPW sarà divisa equamente in modo da rilevare porzioni uguali ai due terminali. Ma quando un secondo SPW viene lanciato nel canale principale da sinistra o da destra, causerà la deviazione dell'SPW originale nella forcella opposta. Per esempio, un secondo SPW proveniente da destra sterzerebbe l'SPW originale lungo la forcella sinistra. Quando l'SPW viene rilevato al terminale di sinistra, e non il giusto, il dispositivo NFL costituisce la base di un flip-flop logico, avere la capacità di immagazzinare un bit di memoria.

Il design SPW è concettualmente diverso dal design CMOS nel senso che si basa su onde piuttosto che su particelle. De Los Santos paragona il concetto di SPW a un'onda in uno stagno che si verifica quando un sassolino viene lasciato cadere nell'acqua. In questa analogia, l'acqua è il fluido elettronico, il disturbo è un allontanamento dalla neutralità di carica in un dato punto nel fluido elettronico (piuttosto che l'allontanamento dalla posizione di equilibrio di una particella che si muove su e giù), e il disturbo che porta alla partenza dalla neutralità di carica è l'SPW.

"Notare che, mentre il disturbo si allontana dal suo punto di origine, una particella sulla superficie dell'acqua rimane nello stesso posto; si muove solo su e giù, ” ha detto De Los Santos PhysOrg.com . "Così, la propagazione del disturbo non comporta il trasporto di massa. Infatti, il disturbo [SPW] si muove a una velocità maggiore di quella alla quale le particelle d'acqua massicce [elettroni] potrebbero essere trasportate. Ciò stabilisce, qualitativamente, perché la velocità di un SPW è maggiore di quella di un elettrone.

In confronto, una logica CMOS convenzionale si basa sul trasporto di elettroni attraverso un canale stabilendo una corrente di elettroni. Come spiega De Los Santos, la corrente di elettroni è costituita da un insieme di singoli elettroni che singolarmente subiscono collisioni con impurità e il reticolo semiconduttore di fondo vibrante. Queste collisioni limitano la velocità massima, e la minima dissipazione di potenza, raggiungibile per svolgere una funzione logica.

"Così, La NFL si basa fondamentalmente sul lancio delle onde (SPW), propagazione e manipolazione, e CMOS si basa sulla modulazione della conducibilità del canale e sul trasporto di particelle, " Egli ha detto.

Nel caso del dispositivo NFL, la chiave per ottimizzare la sua densità è trovare una lunghezza ottimale del dispositivo per la frequenza operativa desiderata.

“Una volta lanciato, Gli SPW hanno una durata che dipende dalla distanza a cui si propagano, Ha detto De Los Santos. “Se il punto in cui vengono rilevati è troppo lontano dal punto di origine, gli SPW moriranno prima di arrivarci; non è possibile eseguire alcuna operazione logica. La distanza è troppo grande, la dimensione del dispositivo sarà troppo grande, e la densità del dispositivo sarà piccola. Ora, se il punto di rilevamento è troppo vicino all'origine, gli SPW rimbalzeranno/si rifletteranno nel punto di rilevamento, e si propagano al punto di origine, dove si rifletteranno di nuovo e si propagheranno di nuovo al punto di rilevamento e così via; questa è una condizione di risonanza. In questo caso, il dispositivo è piccolo, la densità è grande, ma quello che abbiamo è un oscillatore. Però, se il punto di rilevamento si trova a una distanza tale da rilevare l'SPW prima che muoia, in modo che il viaggio di ritorno al punto di lancio sia tale che muore prima di arrivarci, quindi abbiamo la giusta dimensione del dispositivo, e la giusta densità di dispositivi per la NFL.”

Tenendo presente la limitazione della risonanza, De Los Santos prevede che la densità del dispositivo finale sarebbe quella del plasmone più piccolo possibile, che è un dipolo elettrico. Poiché il dipolo elettrico più piccolo è un atomo, la densità sarebbe uguale alla densità atomica areale del tipo di atomo utilizzato. Rispetto alle attuali dimensioni delle funzionalità CMOS, la logica NFL potrebbe potenzialmente svolgere la stessa funzione in appena un quarto dell'area.

Oltre al suo potenziale di alta densità, la logica NFL ha altri vantaggi, come una velocità operativa rapida e un fabbisogno energetico ridotto. Gli SPW hanno una velocità di propagazione di circa 1 miliardo di cm/sec, che è due ordini di grandezza maggiore degli elettroni. Su scala nanometrica, questa velocità consente tempi di commutazione dell'ordine dei femtosecondi, o frequenze di commutazione di circa 6 THz a temperatura ambiente. Per quanto riguarda l'energia, l'unica potenza richiesta è quella necessaria per eccitare un SPW, che può essere fatto da qualsiasi corrente continua diversa da zero. Il mantenimento del fluido elettronico richiede un consumo energetico trascurabile, in modo che il consumo energetico complessivo del dispositivo sia determinato dalla corrente minima rilevabile.

Inoltre, il concetto NFL è compatibile con le attuali capacità litografiche, consentendogli di sfruttare l'infrastruttura di produzione di semiconduttori consolidata. Le porte logiche NFL potrebbero anche essere interfacciate con l'elettronica convenzionale. Nel futuro, De Los Santos ha intenzione di continuare a indagare sulle possibilità della logica NFL.

“La ricerca e lo sviluppo sono in corso per affrontare il design basato sulla NFL, in particolare, stili di progettazione della logica asincrona, e interfacciandosi con gli elettroni, sistemi fotonici e plasmonici, Ha detto De Los Santos. “Ci si aspetta che le funzioni del circuito logico digitale basato su NFL sostituiscano il CMOS come tecnologia che permeerà dai computer, computer portatili, e cellulari ai satelliti di comunicazione, strumentazione e automobili del futuro”.

Maggiori informazioni: Héctor J. De Los Santos. "Teoria della logica nano-elettron-fluidica (NFL):un nuovo concetto di 'elettronica' digitale." Transazioni IEEE sulla nanotecnologia . Da pubblicare.

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