Nenumaldomas skaičiavimo galios žygis jau seniai rėmėsi mūsų gebėjimu padaryti elektroninius komponentus mažesnius ir efektyvesnius. Šios pažangos esmė yra kuklus tranzistorius – pagrindinis šiuolaikinės elektronikos elementas. Tačiau plečiantis mūsų skaitmeniniam pasauliui ir vis labiau reikalaujant dirbtinio intelekto taikomųjų programų, artėjame prie kritinio taško, kai tradicinė silicio pagrindu pagaminta puslaidininkių technologija susiduria su neįveikiamomis fizinėmis kliūtimis.
Iššūkis yra ne tik sumažėti. Šiuolaikiniai elektroniniai įrenginiai – nuo išmaniųjų telefonų iki duomenų centrų – susiduria su didėjančiais energijos poreikiais, o tradiciniams puslaidininkiams sunku neatsilikti. Šis energijos suvartojimo iššūkis tapo ypač aktualus eksponentiškai augant AI programoms, kurioms reikia precedento neturinčios skaičiavimo galios.
Tradicinių kliūčių laužymas
Šios technologinės kliūties esmė slypi tai, ką ekspertai vadina „Boltzmanno tironija“ – esminiu fiziniu suvaržymu, kuris nustato minimalios įtampos reikalavimą, kad silicio tranzistoriai veiktų efektyviai. Šis apribojimas tapo reikšminga kliūtimi ieškant efektyvesnių kompiuterinių sistemų.
Tačiau MIT mokslininkų sukurta plėtra suteikia galimybę išvengti šio fizinio suvaržymo. Kaip paaiškina MIT profesorius Jesús del Alamo: „Su įprastine fizika galima nueiti tik tiek, bet mes turime naudoti kitokią fiziką“. Šis skirtingas požiūris apima kvantinių mechaninių savybių panaudojimą naudojant naujovišką trimatį tranzistorių.
Mokslininkų grupės naujas požiūris skiriasi nuo įprasto puslaidininkių projektavimo, naudojant unikalų medžiagų ir kvantinių reiškinių derinį. Užuot bandę nustumti elektronus per energijos barjerus – tradicinį silicio tranzistorių metodą – šiuose naujuose įrenginiuose naudojamas kvantinis tunelis, leidžiantis elektronams efektyviai „tuneliuoti“ per kliūtis esant žemesnei įtampai.
Revoliuciniai dizaino elementai
Norint atsikratyti silicio apribojimų, reikėjo visiškai permąstyti tranzistorių architektūrą. MIT komanda sukūrė savo sprendimą naudodama naujovišką galio antimonido ir indžio arsenido derinį – medžiagas, pasirinktas specialiai dėl jų unikalių kvantinių mechaninių savybių. Šis nukrypimas nuo tradicinių silicio pagrindu sukurtų konstrukcijų reiškia esminį puslaidininkių inžinerijos pokytį.
Proveržis slypi trimatėje įrenginio architektūroje, kurioje yra vertikalių nanolaidų, veikiančių taip, kaip anksčiau atrodė neįmanoma. Šios struktūros išnaudoja kvantines mechanines savybes, išlaikant išskirtines eksploatacines charakteristikas. Pagrindinis autorius Yanjie Shao pažymi: „Tai technologija, galinti pakeisti silicį, todėl galite ją naudoti su visomis funkcijomis, kurias šiuo metu turi silicis, bet su daug geresniu energijos vartojimo efektyvumu.
Tai, kas išskiria šį dizainą, yra kvantinio tunelio įgyvendinimas – reiškinys, kai elektronai pereina per energijos kliūtis, o ne perlipa jas. Šis kvantinis mechaninis elgesys kartu su tikslia architektūrine konstrukcija leidžia tranzistoriams veikti esant žymiai žemesnei įtampai, išlaikant aukštą našumo lygį.
Techniniai pasiekimai
Šių naujų tranzistorių našumo rodikliai yra ypač įspūdingi. Ankstyvieji bandymai atskleidžia, kad jie gali veikti žemiau teorinių įtampos ribų, kurios riboja tradicinius silicio įrenginius ir užtikrina panašų našumą. Visų pirma, šių įrenginių veikimas buvo maždaug 20 kartų geresnis nei anksčiau sukurti panašūs tuneliniai tranzistoriai.
Dydžio pasiekimai yra vienodai puikūs. Tyrėjų komanda sėkmingai pagamino vertikalias nanolaidines konstrukcijas, kurių skersmuo yra tik 6 nanometrai – manoma, kad tai vienas mažiausių kada nors praneštų trimačių tranzistorių. Šis miniatiūrizavimas yra labai svarbus praktiniam pritaikymui, nes jis gali sudaryti sąlygas didesnio tankio komponentų pakavimui kompiuterių lustuose.
Tačiau šie pasiekimai neapsiėjo be didelių gamybos iššūkių. Darbas tokiomis smulkmenomis reikalavo išskirtinio gamybos tikslumo. Kaip pastebi profesorius del Alamo: „Šiuo darbu mes tikrai esame linkę vieno nanometro matmenų. Labai mažai grupių pasaulyje gali pagaminti gerus tranzistorius šiame diapazone. Komanda naudojo pažangias MIT.nano priemones, kad pasiektų tikslų šių nanoskalės struktūrų valdymą. Ypatingas iššūkis yra išlaikyti vienodumą visuose įrenginiuose, nes net vieno nanometro dispersija gali reikšmingai paveikti elektronų elgesį šiose skalėse.
Ateities pasekmės
Galimas šio proveržio poveikis neapsiriboja akademiniais tyrimais. Kadangi dirbtinis intelektas ir sudėtingos skaičiavimo užduotys ir toliau skatina technologinę pažangą, efektyvesnių skaičiavimo sprendimų paklausa tampa vis svarbesnė. Šie nauji tranzistoriai galėtų iš esmės pakeisti tai, kaip mes žiūrime į elektroninių prietaisų dizainą ir energijos suvartojimą skaičiavimo srityje.
Pagrindiniai galimi privalumai:
- Žymiai sumažintas duomenų centrų ir didelio našumo skaičiavimo įrenginių energijos suvartojimas
- Patobulintos AI ir mašininio mokymosi programų apdorojimo galimybės
- Mažesni, efektyvesni elektroniniai prietaisai visuose sektoriuose
- Sumažėjęs kompiuterių infrastruktūros poveikis aplinkai
- Didesnio tankio lustų dizaino potencialas
Dabartiniai plėtros prioritetai:
- Pagerina visų lustų gamybos vienodumą
- Vertikalių pelekų formos konstrukcijų tyrinėjimas kaip alternatyvus dizainas
- Gamybos pajėgumų didinimas
- Gamybos nuoseklumo sprendimas nanometrų skalėje
- Medžiagų derinių optimizavimas siekiant komercinio gyvybingumo
Pagrindinių pramonės veikėjų dalyvavimas, įskaitant „Intel Corporation“ dalinį šio tyrimo finansavimą, rodo didelį komercinį susidomėjimą šios technologijos pažanga. Mokslininkams toliau tobulinant šias naujoves, kelias nuo laboratorijos proveržio iki praktinio įgyvendinimo tampa vis aiškesnis, nors vis dar reikia išspręsti reikšmingus inžinerinius iššūkius.
Esmė
Šių kvantiniu būdu patobulintų tranzistorių kūrimas žymi pagrindinį puslaidininkių technologijos momentą, parodantį mūsų gebėjimą peržengti tradicinius fizinius apribojimus pasitelkus naujovišką inžineriją. Derindami kvantinį tuneliavimą, tikslią trimatę architektūrą ir naujas medžiagas, MIT tyrėjai atvėrė naujas energiją taupančių kompiuterių galimybes, kurios galėtų pakeisti pramonę.
Nors kelias į komercinį įgyvendinimą kelia iššūkių, ypač gamybos nuoseklumo, proveržis yra daug žadanti kryptis, kaip patenkinti didėjančius mūsų skaitmeninio amžiaus skaičiavimo poreikius. Kadangi Shao komanda ir toliau tobulina savo požiūrį ir tiria naujas struktūrines galimybes, jų darbas gali reikšti naujos puslaidininkių technologijos eros pradžią – tą, kai kvantinės mechaninės savybės padeda patenkinti didėjančius šiuolaikinės kompiuterijos poreikius ir žymiai sumažinti energijos suvartojimą.
