Dott. Kyeongjae Cho, professore di scienze e ingegneria dei materiali, ei suoi collaboratori di UT Dallas hanno sviluppato la fisica fondamentale di un transistor logico multivalore basato sull'ossido di zinco. Credito:Università del Texas a Dallas
Computer e dispositivi elettronici simili sono diventati più veloci e più piccoli nel corso dei decenni poiché i produttori di chip per computer hanno imparato a ridurre i singoli transistor, i minuscoli interruttori elettrici che trasmettono informazioni digitali.
La ricerca da parte degli scienziati del transistor più piccolo possibile ha consentito di impacchettarne un numero maggiore su ciascun chip. Ma quella corsa al ribasso è quasi finita:i ricercatori si stanno rapidamente avvicinando al minimo fisico per le dimensioni dei transistor, con modelli recenti fino a circa 10 nanometri, o solo 30 atomi, di larghezza.
"La potenza di elaborazione dei dispositivi elettronici proviene da centinaia di milioni, o miliardi, di transistor che sono interconnessi su un singolo chip di computer, " ha detto il dottor Kyeongjae Cho, professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università del Texas a Dallas. "Ma ci stiamo rapidamente avvicinando ai limiti inferiori di scala".
Per estendere la ricerca di una maggiore velocità di elaborazione, l'industria della microelettronica è alla ricerca di tecnologie alternative. la ricerca di Cho, pubblicato online il 30 aprile sulla rivista Comunicazioni sulla natura , potrebbe offrire una soluzione ampliando il vocabolario del transistor.
I transistor convenzionali possono trasmettere solo due valori di informazione:come un interruttore, un transistor è acceso o spento, che si traduce negli 1 e negli 0 del linguaggio binario.
Un modo per aumentare la capacità di elaborazione senza aggiungere più transistor sarebbe aumentare la quantità di informazioni trasmesse da ciascun transistor introducendo stati intermedi tra gli stati on e off dei dispositivi binari. Un cosiddetto transistor logico multivalore basato su questo principio consentirebbe di elaborare più operazioni e una maggiore quantità di informazioni in un unico dispositivo.
"Il concetto di transistor logici multivalore non è nuovo, e ci sono stati molti tentativi per realizzare tali dispositivi, " Cho ha detto. "L'abbiamo fatto."
Attraverso la teoria, progettazione e simulazioni, Il gruppo di Cho all'UT Dallas ha sviluppato la fisica fondamentale di un transistor logico multivalore basato sull'ossido di zinco. I loro collaboratori in Corea del Sud hanno fabbricato e valutato con successo le prestazioni di un prototipo di dispositivo.
L'immagine a sinistra mostra due forme di ossido di zinco combinate per formare un nanostrato composito in un nuovo tipo di transistor:i cristalli di ossido di zinco (all'interno dei cerchi rossi) sono incorporati nell'ossido di zinco amorfo. L'immagine a destra è un modello al computer della struttura che mostra la distribuzione della densità elettronica. Credito:Università del Texas a Dallas
Il dispositivo di Cho è capace di due stati intermedi elettronicamente stabili e affidabili tra 0 e 1, aumentando il numero di valori logici per transistor da due a tre o quattro.
Cho ha affermato che la nuova ricerca è significativa non solo perché la tecnologia è compatibile con le configurazioni dei chip dei computer esistenti, ma anche perché potrebbe colmare un divario tra i computer di oggi e i computer quantistici, il potenziale prossimo punto di riferimento nella potenza di calcolo.
Mentre un computer convenzionale utilizza i valori precisi di 1 e 0 per eseguire calcoli, le unità logiche fondamentali di un computer quantistico sono più fluide, con valori che possono esistere come una combinazione di 1 e 0 contemporaneamente o in qualsiasi punto intermedio. Sebbene debbano ancora essere realizzati commercialmente, Si teorizza che i computer quantistici su larga scala siano in grado di memorizzare più informazioni e risolvere determinati problemi molto più velocemente dei computer attuali.
"Un dispositivo che incorpora logica multilivello sarebbe più veloce di un computer convenzionale perché funzionerebbe con più di semplici unità logiche binarie. Con unità quantistiche, hai valori continui, " disse Cho.
"Il transistor è una tecnologia molto matura, e i computer quantistici non sono affatto vicini alla commercializzazione, " ha continuato. "C'è un divario enorme. Allora come ci muoviamo dall'uno all'altro? Abbiamo bisogno di una sorta di percorso evolutivo, una tecnologia ponte tra gradi di libertà binari e infiniti. Il nostro lavoro si basa ancora sulla tecnologia dei dispositivi esistenti, quindi non è rivoluzionario come l'informatica quantistica, ma si sta evolvendo in quella direzione".
La tecnologia sviluppata da Cho e dai suoi colleghi utilizza una nuova configurazione di due forme di ossido di zinco combinate per formare un nanostrato composito, che viene poi incorporato con strati di altri materiali in un superreticolo.
I ricercatori hanno scoperto di poter ottenere la fisica necessaria per la logica multivalore incorporando cristalli di ossido di zinco, chiamati punti quantici, in ossido di zinco amorfo. Gli atomi che compongono un solido amorfo non sono così rigidamente ordinati come nei solidi cristallini.
"Progettando questo materiale, abbiamo scoperto che potevamo creare una nuova struttura elettronica che consentisse questo comportamento logico multilivello, " ha detto Cho, chi ha presentato domanda di brevetto. "L'ossido di zinco è un materiale ben noto che tende a formare sia solidi cristallini che solidi amorfi, quindi è stata una scelta ovvia per iniziare, ma potrebbe non essere il materiale migliore. Il nostro prossimo passo esaminerà quanto sia universale questo comportamento tra gli altri materiali mentre cerchiamo di ottimizzare la tecnologia.
"Andando avanti, Voglio anche vedere come potremmo interfacciare questa tecnologia con un dispositivo quantistico".
