Normalmente, i chip per computer sono costituiti da componenti elettronici che fanno sempre la stessa cosa. In futuro, tuttavia, sarà possibile una maggiore flessibilità:nuovi tipi di transistor adattivi possono essere commutati in un lampo, in modo che possano eseguire diversi compiti logici secondo necessità. Questo cambia radicalmente le possibilità di progettazione dei chip e apre opportunità completamente nuove nel campo dell'intelligenza artificiale, delle reti neurali o persino della logica che funziona con più valori di 0 e 1.

Per raggiungere questo obiettivo, gli scienziati della TU Wien (Vienna) non si sono affidati alla consueta tecnologia del silicio, ma al germanio. Questo è stato un successo:il transistor più flessibile al mondo è stato ora prodotto utilizzando il germanio. È stato presentato sulla rivista ACS Nano . Le speciali proprietà del germanio e l'uso di elettrodi di program gate dedicati hanno permesso di creare un prototipo per un nuovo componente che potrebbe inaugurare una nuova era della tecnologia dei chip.

Un elettrodo di controllo aggiuntivo cambia tutto

Il transistor è la base di ogni moderno dispositivo elettronico:è un minuscolo componente che consente alla corrente di fluire o blocca il flusso di corrente, a seconda che venga applicata o meno una tensione elettrica a un elettrodo di controllo. Ciò consente di costruire semplici circuiti logici ma anche memoria.

Il modo in cui la carica elettrica viene trasportata nel transistor dipende dal materiale utilizzato:o ci sono elettroni che si muovono liberamente che portano una carica negativa, oppure un elettrone potrebbe mancare dai singoli atomi, in modo che questo punto sia caricato positivamente. Questo viene quindi chiamato "fori":possono anche essere spostati attraverso il materiale.

Nel nuovo transistor della TU Wien, sia gli elettroni che le lacune vengono manipolati contemporaneamente in un modo molto speciale:"Colleghiamo due elettrodi con un filo estremamente sottile di germanio, che è collegato al metallo su entrambi i lati con un'interfaccia speciale ed estremamente pulita. Al di sopra di questo segmento di germanio mettiamo un elettrodo di gate come quelli che si trovano nei transistor tradizionali.L'importante è che il nostro transistor abbia anche un altro elettrodo di controllo, che si trova sulle interfacce tra germanio e metallo.Può programmare dinamicamente la funzione del transistor", spiega il dott. Masiar Sistani, ricercatore post-dottorato nel team del Prof. Walter Weber presso l'Institute for Solid State Electronics della TU Wien.

Questa costruzione consente di controllare elettroni e lacune separatamente. "Il fatto che utilizziamo il germanio è un vantaggio decisivo", afferma Masiar Sistani. "Questo perché il germanio ha una struttura elettronica molto speciale:quando si applica la tensione, il flusso di corrente inizialmente aumenta, come ci si aspetterebbe. Dopo una certa soglia, tuttavia, il flusso di corrente diminuisce nuovamente, questo si chiama resistenza differenziale negativa. Con il con l'aiuto dell'elettrodo di controllo, possiamo modulare a quale tensione si trova questa soglia. Ciò si traduce in nuovi gradi di libertà che possiamo utilizzare per dare al transistor esattamente le proprietà di cui abbiamo bisogno in questo momento."

In questo modo, ad esempio, una porta NAND (una porta logica non-e) può essere commutata in una porta NOR (una porta logica né-né). "Finora, l'intelligenza dell'elettronica è venuta semplicemente dall'interconnessione di diversi transistor, ognuno dei quali aveva solo una funzionalità abbastanza primitiva. In futuro, questa intelligenza può essere trasferita all'adattabilità del nuovo transistor stesso", afferma il prof. Walter Weber. "Grazie a questa maggiore adattabilità, le operazioni aritmetiche, che in precedenza richiedevano 160 transistor, sono possibili con 24 transistor. In questo modo è anche possibile aumentare notevolmente la velocità e l'efficienza energetica dei circuiti."

Il gruppo di ricerca del Prof. Weber lavora alla TU Wien solo da circa due anni. Il Prof. Walter Weber si è fatto un nome internazionale con il suo lavoro sull'elettronica nuova e riconfigurabile. Il Dr. Masiar Sistani è un esperto nel campo dell'elettronica al germanio e si è specializzato nella ricerca sui fenomeni di trasporto elettronico. Queste due aree di competenza sono una combinazione perfetta per rendere possibile il transistor adattivo al germanio. "Alcuni dettagli devono ancora essere ottimizzati, ma con il nostro primo transistor al germanio programmabile abbiamo dimostrato che l'idea di base funziona davvero. Questa è una svolta decisiva per noi", afferma Masiar Sistani.

Intelligenza artificiale

Queste nuove possibilità sono particolarmente interessanti per le applicazioni nel campo dell'intelligenza artificiale:"La nostra intelligenza umana si basa su circuiti che cambiano dinamicamente tra le cellule nervose. Con i nuovi transistor adattivi, è ora possibile cambiare i circuiti direttamente sul chip in modo mirato, " dice Walter Weber. La logica multivalore può anche essere implementata in questo modo, ovvero circuiti che funzionano non solo con 0 e 1, ma con un numero maggiore di possibili stati.

Una rapida applicazione industriale di questa nuova tecnologia è realistica:i materiali utilizzati sono già utilizzati oggi nell'industria dei semiconduttori e non sono necessari processi di produzione completamente nuovi. Per certi aspetti la tecnologia sarebbe anche più semplice di prima:oggi i materiali semiconduttori sono drogati, cioè arricchiti con singoli atomi estranei. Questo non è necessario con il transistor a base di germanio; si può usare germanio puro.

"Non vogliamo sostituire completamente la precedente tecnologia a transistor con il nostro nuovo transistor, sarebbe presuntuoso", afferma Masiar Sistani. "È più probabile che la nuova tecnologia venga incorporata nei chip dei computer come componente aggiuntivo in futuro. Per alcune applicazioni, sarà semplicemente più efficiente dal punto di vista energetico fare affidamento su transistor adattivi". + Esplora ulteriormente

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