Smartphone, laptop e smartwatch consumano grandi quantità di energia, eppure solo circa la metà di questa energia viene effettivamente utilizzata per alimentare funzioni importanti. E con miliardi di questi dispositivi in ​​uso in tutto il mondo, una quantità significativa di energia va sprecata. Il professor Adrian Ionescu e il suo team presso il Nanoelectronic Devices Laboratory (Nanolab) dell'EPFL hanno lanciato una serie di progetti di ricerca per rendere i transistor più efficienti dal punto di vista energetico. "Il transistor è l'oggetto artificiale più abbondante mai creato dall'uomo, " afferma il prof. Ionescu. "Abilita la nostra intera infrastruttura computazionale e il modo in cui interagiamo in tempo reale con l'elaborazione portatile delle informazioni nel 21° secolo. Costituisce l'elemento base per l'elaborazione del segnale digitale e analogico."

L'efficienza energetica è importante

"Oggi, sappiamo che il cervello umano consuma circa la stessa quantità di energia di una lampadina da 20 Watt, " dice Ionescu. "Nonostante consumando così poca energia, il nostro cervello è in grado di svolgere compiti di diversi ordini di grandezza più complessi di quelli che può gestire un computer:analizzare le informazioni fornite dai nostri sensi e generare processi decisionali intelligenti. Il nostro obiettivo è progettare una tecnologia elettronica per dispositivi portatili che sia simile in termini di efficienza ai neuroni umani".

Il transistor costruito dai ricercatori dell'EPFL alza l'asticella dell'efficienza energetica. Sviluppato nella camera bianca della Scuola di Ingegneria (STI), comprende strati 2-D di diseleniuro di tungsteno (WSe ₂ ) e diseleniuro di stagno (SnSe ₂ ), due materiali semiconduttori. Conosciuto come un transistor tunneling 2-D/2-D, sfrutta l'allineamento di banda del WSe ₂ /SnSe ₂ giunzione cancello. E poiché misura solo pochi nanometri, è invisibile all'occhio umano. Nell'ambito dello stesso progetto di ricerca, il team Nanolab ha anche progettato una nuova struttura ibrida a doppio trasporto che potrebbe un giorno spingere ulteriormente le prestazioni della tecnologia.

Superare i limiti

Con questo transistor, il team dell'EPFL ha anche infranto uno dei limiti fondamentali dei dispositivi elettronici. "Pensa a un transistor come un interruttore che richiede energia per accendersi e spegnersi, " spiega Ionescu. "Per analogia, immagina quanta energia ci vorrebbe per salire in cima a una montagna svizzera e scendere nella valle successiva. Poi pensa a quanta energia potremmo risparmiare scavando un tunnel attraverso la montagna. Questo è esattamente ciò che ottiene il nostro transistor tunnel 2-D/2-D:esegue la stessa funzione digitale utilizzando molta meno energia".

Fino ad ora, scienziati e ingegneri non erano riusciti a superare questo limite fondamentale di consumo energetico per i componenti 2-D/2-D di questo tipo. Ma il nuovo transistor cambia tutto questo, stabilendo un nuovo standard per l'efficienza energetica nel processo di commutazione digitale. Il team di Nanolab ha lavorato con il gruppo guidato dal professor Mathieu Luisier all'ETH di Zurigo per testare e confermare le proprietà del nuovo transistor tunnel tramite simulazione atomica. "Questa è la prima volta che superiamo questo limite fondamentale, mentre allo stesso tempo raggiunge prestazioni più elevate rispetto a un transistor standard realizzato con lo stesso materiale semiconduttore 2-D, e con un'alimentazione a bassissima tensione, " dice il prof. Ionescu.

Dai dispositivi indossabili all'IA edge

Questa nuova tecnologia potrebbe essere utilizzata per costruire sistemi elettronici efficienti dal punto di vista energetico quasi quanto i neuroni del nostro cervello. "I nostri neuroni operano a circa 100 millivolt (mV), o circa 10 volte inferiore alla tensione fornita da una batteria standard, " afferma il Prof. Ionescu. "La nostra tecnologia attualmente opera a 300 mV, rendendolo circa 10 volte più efficiente di un transistor convenzionale." Nessun altro componente elettronico esistente oggi si avvicina a questo livello di efficienza.

Questa innovazione tanto attesa ha potenziali applicazioni in due aree:tecnologie indossabili (come smartwatch e abbigliamento intelligente) e chip per edge AI. Ma trasformare questa prova di laboratorio in un prodotto industriale richiederà ancora molti anni di duro lavoro.