Wir diskutieren alternative Ansätze zur Entwicklung von Halbleiterbauelementen.
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Beim letzten Mal über Materialien, die Silizium in der Transistorproduktion ersetzen und deren Möglichkeiten erweitern können. Heute erörtern wir alternative Ansätze zur Entwicklung von Halbleiterbauelementen und welche Anwendung sie in Rechenzentren finden können.
Piezoelektrische Transistoren
Solche Geräte enthalten piezoelektrische und piezoresistive Komponenten. Die erste wandelt elektrische Impulse in Schallwellen um. Die zweite absorbiert diese Schallwellen, komprimiert sich und öffnet oder schließt somit den Transistor. Als piezoresistives Material wird Samariumselenid verwendet () — abhängig vom Druck entweder wie ein Halbleiter (mit hohem Widerstand) oder wie ein Metall.
Eines der ersten Konzepte für piezoelektrische Transistoren wurde von IBM vorgestellt. Die Ingenieure des Unternehmens arbeiten seit 2012 an Entwicklungen in diesem Bereich. . Auch in diesem Bereich arbeiten ihre Kollegen aus dem National Physical Laboratory in Großbritannien, der Universität Edinburgh und Oberna.
Der piezoelektrische Transistor verliert deutlich weniger Energie als Siliziumgeräte. Zunächst soll die Technologie in kleinen Geräten, bei denen eine Wärmeableitung schwierig ist – in Smartphones, Radiogeräten und Radaren.
Zudem könnten piezoelektrische Transistoren in Serverprozessoren für Rechenzentren Anwendung finden. Die Technologie wird die Energieeffizienz der Hardware steigern und den Betreibern von Rechenzentren helfen, die Ausgaben für die IT-Infrastruktur zu senken.
Tunneltransistoren
Eine der Hauptaufgaben von Herstellern von Halbleitergeräten besteht darin, Transistoren zu entwerfen, die mit niedrigen Spannungen umgeschaltet werden können. Dies ist möglich durch Tunneltransistoren. Diese Geräte werden durch .
Durch externen Druck erfolgt der Schaltvorgang des Transistors schneller, da die Elektronen mit höherer Wahrscheinlichkeit die dielektrische Barriere überwinden. Dadurch benötigt das Gerät signifikant weniger Spannung für den Betrieb.
Die Entwicklung von Tunneltransistoren wird von Wissenschaftlern der MIPT und der Tohoku-Universität in Japan vorangetrieben. Sie verwendeten zweischichtiges Graphen, um ein Gerät, das 10 bis 100 Mal schneller als Silikon-Alternativen arbeitet. Laut den Ingenieuren ermöglicht ihre Technologie Prozessoren zu entwerfen, die zwanzigmal leistungsstärker sind als die aktuellen Top-Modelle.
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Im Laufe der Zeit wurden Prototypen von Tunneltransistoren mit verschiedenen Materialien realisiert – neben Graphen wurden auch und . Dennoch hat die Technologie bislang die Laborwände nicht verlassen, und von einer großflächigen Produktion auf dieser Grundlage kann nicht die Rede sein.
Spintransistoren
Ihre Funktionsweise basiert auf der Bewegung von Elektronenspins. Diese Spins bewegen sich durch ein äußeres Magnetfeld, das sie in eine Richtung ausrichtet und einen Spin-Strom erzeugt. Geräte, die mit einem solchen Strom arbeiten, benötigen hundertmal weniger Energie als siliciumbasierte Transistoren, und mit einer Geschwindigkeit von einer Milliarde Mal pro Sekunde umschalten.
Die Hauptstärke von Spin-Geräten liegt in ihrer Vielseitigkeit. Sie kombinieren die Funktionen eines Informationsspeichers, eines Detektors zum Auslesen und eines Schalters zur Übertragung an andere Elemente des Chips.
Es wird angenommen, dass die ersten Konzepte für den Spin-Transistor von den Ingenieuren Supriyo Datta und Biswajit Das im Jahr 1990 entwickelt wurden. Seitdem haben sich große IT-Unternehmen mit Entwicklungen in diesem Bereich beschäftigt, . Dennoch, wie wird es noch eine Weile dauern, bis Spin-Transistoren in Verbraucherprodukten verfügbar sind.
Metall-Luft-Transistoren
Im Wesentlichen ähneln die Funktionsweisen und die Konstruktion von Metall-Luft-Transistoren denen der . Mit einigen Ausnahmen sind die Quelle und das Ziel eines neuen Transistors metallische Elektroden. Der Gate-Bereich des Geräts befindet sich darunter und ist durch eine Oxidschicht isoliert.
Source und Drain sind 30 Nanometer voneinander entfernt, was es den Elektronen ermöglicht, ungehindert durch den Luftspalt zu fließen. Der Austausch von geladenen Partikeln erfolgt durch .
Die Entwicklung von Metall-Luft-Transistoren einem Team der RMIT-Universität in Melbourne. Ingenieure behaupten, dass diese Technologie "neues Leben" in das Moore'sche Gesetz einhauchen wird und es ermöglicht, ganze 3D-Netzwerke aus Transistoren zu erstellen. Chip-Hersteller können sich von der ständigen Reduzierung der Fertigungsprozesse abwenden und sich auf die Schaffung kompakter 3D-Architekturen konzentrieren.
Laut den Entwicklern wird die Betriebsfrequenz der neuen Transistoren Hunderte von Gigahertz übersteigen. Der Durchbruch der Technologie für breitere Anwendungen wird die Leistungsfähigkeit von Rechensystemen erweitern und die Serverleistung in Rechenzentren erhöhen.
Aktuell sucht das Team Investoren, um seine Forschungen fortzusetzen und technische Herausforderungen zu bewältigen. Die Elektroden von Ein- und Ausgang schmelzen unter dem Einfluss des elektrischen Feldes – dies verringert die Leistung des Transistors. Das Problem soll in den nächsten Jahren behoben werden. Anschließend werden die Ingenieure mit der Vorbereitung für die Markteinführung des Produkts beginnen.
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Quelle: habr.com
