De ondergrens van het energieverbruik van computers overschrijden

Nieuw FLEET-onderzoek bevestigt het potentieel van topologische materialen om het energieverbruik van computers aanzienlijk te verminderen.

De samenwerking van FLEET-onderzoekers van de Universiteit van Wollongong, Monash University en UNSW hebben in een theoretische studie aangetoond dat het gebruik van topologische isolatoren in plaats van conventionele halfgeleiders om transistors te maken, de poortspanning met de helft zou kunnen verminderen, en de energie die door elke transistor wordt gebruikt met een factor van vier.

Om dit te bereiken, moesten ze een manier vinden om de beroemde ‘Boltzmann’s tirannie’ te overwinnen die een ondergrens stelt aan de schakelingenergie van transistoren.

Ze vonden een verrassend resultaat: poortspanning toegepast op een topologische isolator zou een barrière kunnen vormen voor elektronenstroom die groter is dan de spanning zelf maal de elektronenlading, een resultaat dat voorheen voor onmogelijk werd gehouden.

De missie van het ARC Center of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET) is het verminderen van de niet-duurzame energiebelasting van informatie- en computertechnologie (ICT), die nu ongeveer 10% van de wereldwijde elektriciteit verbruikt.

Transistors: ze zitten niet alleen in opa’s schuurradio

Computerchips bevatten miljarden transistors – kleine elektrische schakelaars die de basisschakelingen van computers uitvoeren.

Afzonderlijke transistors zijn tegenwoordig slechts 5 nanometer in doorsnede (5 miljoenste van een millimeter).

Transistors gebruiken een spanning die wordt toegepast op een ‘gate’-elektrode om de stroom tussen’ source’- en ‘drain’-elektroden in en uit te schakelen. De energie die wordt gebruikt om de poortelektrode op te laden, wordt weggegooid telkens wanneer elke transistor wordt in- en uitgeschakeld. Een typische computer heeft letterlijk miljarden transistors die miljarden keren per seconde worden in- en uitgeschakeld, wat veel energie oplevert.

Conventionele transistors zijn gemaakt van halfgeleiders, materialen die een ‘bandgap’ of een reeks energieën hebben waarin elektronen verboden zijn. De actie van de spanning die op de poort wordt toegepast, is om dit bereik van verboden energieën te verplaatsen om (de ‘aan’-toestand) of blokkering (de’ uit’-toestand) de energieën toe te staan ​​waarmee binnenkomende elektronen van bron naar afvoer gaan.

In een ideale transistor zou 1 volt toegepast op de poort omhoog gaan in het bereik van energieën die zijn geblokkeerd door 1 elektron-volt.

Lekkage ‘Tirannie’ legt een lagere limiet op het schakelen van energie

Hoe groot is een barrière nodig om de transistor correct te laten werken?

Het probleem is dat de energieën van de elektronen die uit de bron komen, inherent worden ‘uitgesmeerd’ bij eindige temperatuur, dus er zijn altijd een paar elektronen met voldoende hoge energie om over de barrière te komen. Deze ‘lekstroom’ leidt tot energieverspilling.

Fundamentele thermodynamische overwegingen vereisen dat om de stroom met een factor 10 te verminderen, de barrière bij kamertemperatuur met ongeveer 60 milli-elektron-volt moet worden verhoogd. Maar om verspilling van energie via lekstroom te voorkomen, moet de stroom worden verminderd met een factor van ongeveer 100.000, of een barrière van ongeveer 300 milli-elektron-volt, waarvoor een poortspanning van ten minste 300 milli-volt vereist is.

Deze minimale poortspanning legt een ondergrens aan de schakelingsenergie.

Dit wordt ‘Boltzmann’s tirannie’ genoemd naar Ludwig Boltzmann die het uitsmeren van de energieën van deeltjes door temperatuur beschreef.

Men denkt dat de tirannie van Boltzmann beperkt hoe klein de spanning van de werkende poort kan zijn voor een transistor, ongeacht het materiaal waarvan deze is gemaakt.

De limiet van Boltzmann overwinnen met nieuwe materialen

Onderzoekers in FLEET vroegen zich af of een ander effect kan worden gebruikt om een ​​barrière te maken voor elektronenstroom in een transistor.

In sommige materialen kan een elektrisch veld de grootte van de bandafstand veranderen. Ze vroegen zich af of het elektrische veld als gevolg van de spanning die op een poortelektrode wordt toegepast, kan worden gebruikt om de bandafstand te vergroten en een barrière tegen elektronen te creëren. Het antwoord is ja, maar voor typische materialen is dit effect niet beter dan de tirannie van Boltzmann: 1 volt toegepast op de poort kan nog steeds alleen een barrière maken die niet groter is dan 1 elektron-volt.

De onderzoekers besloten om te kijken naar een speciale klasse materialen, topologische isolatoren genaamd, die een bandkloof hebben die effectief negatief is.

“Dunne (tweedimensionale) topologische isolatoren isoleren in hun binnenste, maar geleiden langs hun randen”, legt hoofdauteur Muhammad Nadeem (Universiteit van Wollongong) uit. “In deze toestand kunnen ze functioneren als de ‘aan’-toestand van een transistor, waarbij de stroom wordt gedragen door de geleidende randen.”

“De bandkloof van een topologische isolator kan ook worden veranderd door een elektrisch veld”, zegt Nadeem. “Als het positief wordt, is het materiaal niet langer een topologische isolator, en heeft het geen geleidende randen meer, en gedraagt ​​het zich als een gewone halfgeleider, waarbij de bandkloof fungeert als een barrière voor de elektronenstroom (de ‘uit’-toestand).”

Het onderzoeksteam ontdekte echter dat, in tegenstelling tot een gewone halfgeleider, de toename van de bandafstand (in elektron-volt) in de topologische isolator groter kan zijn dan de spanning die op de poort wordt aangelegd (in volt), waardoor Boltzmann’s tirannie wordt verslagen.

“De juiste topologische materialen kunnen schakelen op spanningen die half zo groot zijn als een vergelijkbare conventionele transistor, waarvoor slechts een kwart van de energie nodig is”, zegt mede-onderzoeker Dimi Culcer (UNSW).

Waar naartoe vanaf hier?

Er zijn nog veel uitdagingen. De studie is voorlopig alleen theoretisch. Mede-onderzoeker Xiaolin Wang (UOW) zegt dat “sommige van de kandidaat-materialen zoals bismuteen, een enkele atoomdikke laag bismut gerangschikt in een honingraatstructuur, nog maar net in het laboratorium zijn onderzocht en nog niet zijn gemaakt. in transistors. “

Andere materialen liggen nog op de tekentafel en het is nog niet bekend hoe ze moeten worden gesynthetiseerd. “Maar”, zegt mede-onderzoeker Michael Fuhrer (Monash), “onderzoekers binnen FLEET werken er hard aan om deze nieuwe materialen te maken, ze te karakteriseren en ze op te nemen in elektronische apparaten.”