Onderzoekers ontwikkelen adaptieve transistor op nanometerschaal

Computerchips bestaan ​​normaal gesproken uit elektronische componenten die altijd hetzelfde doen. In de toekomst zal echter meer flexibiliteit mogelijk zijn: nieuwe typen adaptieve transistoren kunnen in een flits worden geschakeld, zodat ze naar behoefte verschillende logische taken kunnen uitvoeren. Dit verandert fundamenteel de mogelijkheden van chipontwerp en opent volledig nieuwe kansen op het gebied van kunstmatige intelligentie, neurale netwerken of zelfs logica die met meer waarden werkt dan alleen 0 en 1.

Om dit te bereiken, vertrouwden wetenschappers van de TU Wien (Wenen) niet op de gebruikelijke siliciumtechnologie, maar op germanium. Dit was een succes: de meest flexibele transistor ter wereld is nu gemaakt van germanium. Het is gepresenteerd in het tijdschrift ACS Nano. De speciale eigenschappen van germanium en het gebruik van speciale programmeerpoortelektroden maakten het mogelijk om een ​​prototype te maken voor een nieuwe component die een nieuw tijdperk van chiptechnologie kan inluiden.

Een extra stuurelektrode verandert alles

De transistor is de basis van elk modern elektronisch apparaat: het is een klein onderdeel dat ofwel stroom laat vloeien of de stroom blokkeert – afhankelijk van of er al dan niet een elektrische spanning op een stuurelektrode wordt toegepast. Dit maakt het mogelijk om eenvoudige logische schakelingen te bouwen maar ook geheugenopslag.

Hoe de elektrische lading in de transistor wordt getransporteerd, hangt af van het gebruikte materiaal: of er zijn vrij bewegende elektronen die een negatieve lading dragen, of er kan een elektron ontbreken in individuele atomen, zodat deze plek positief geladen is. Dit wordt dan “gaten” genoemd – ze kunnen ook door het materiaal worden verplaatst.

In de nieuwe transistor aan de TU Wien worden zowel elektronen als gaten tegelijkertijd op een heel speciale manier gemanipuleerd: “We verbinden twee elektroden met een extreem dunne draad van germanium, die aan beide zijden met metaal is verbonden met een speciale, extreem schone interface. Boven dit segment van germanium plaatsen we een poortelektrode zoals die in conventionele transistors wordt aangetroffen. Doorslaggevend is dat onze transistor ook een andere stuurelektrode heeft, die op de interfaces tussen germanium en metaal wordt geplaatst. Hij kan de functie van de transistor”, legt dr. Masiar Sistani uit, een postdoctoraal onderzoeker in het team van prof. Walter Weber aan het Institute for Solid State Electronics aan de TU Wien.

Deze constructie maakt het mogelijk om elektronen en gaten afzonderlijk aan te sturen. “Het feit dat we germanium gebruiken, is een beslissend voordeel”, zegt Masiar Sistani. “Dit komt omdat germanium een ​​heel speciale elektronische structuur heeft: als je spanning aanbrengt, neemt de stroomstroom aanvankelijk toe, zoals je zou verwachten. Na een bepaalde drempel neemt de stroomstroom echter weer af – dit wordt negatieve differentiële weerstand genoemd. met behulp van de stuurelektrode kunnen we moduleren bij welke spanning deze drempel ligt. Dit resulteert in nieuwe vrijheidsgraden die we kunnen gebruiken om de transistor precies de eigenschappen te geven die we op dit moment nodig hebben.”

Op deze manier kan bijvoorbeeld een NIET-EN-poort (een logische niet-en-poort) worden omgeschakeld naar een NIET-OF-poort (een logische noch-en-poort). “Tot nu toe kwam de intelligentie van elektronica eenvoudigweg voort uit de onderlinge verbinding van verschillende transistors, die elk slechts een vrij primitieve functionaliteit hadden. In de toekomst kan deze intelligentie worden overgedragen naar het aanpassingsvermogen van de nieuwe transistor zelf”, zegt prof. Walter Weber. “Rekenkundige bewerkingen, waarvoor voorheen 160 transistors nodig waren, zijn dankzij dit verhoogde aanpassingsvermogen mogelijk met 24 transistors. Op deze manier kunnen ook de snelheid en energie-efficiëntie van de circuits aanzienlijk worden verhoogd.”

De onderzoeksgroep van prof. Weber werkt nog maar zo’n twee jaar aan de TU Wien. Prof. Walter Weber heeft internationale naam gemaakt met zijn werk aan nieuwe, herconfigureerbare elektronica. Dr. Masiar Sistani is een expert op het gebied van germaniumelektronica en heeft zich gespecialiseerd in het onderzoeken van elektronische transportfenomenen. Deze twee expertisegebieden zijn een perfecte match om de adaptieve germaniumtransistor mogelijk te maken. “Sommige details moeten nog worden geoptimaliseerd, maar met onze eerste programmeerbare germaniumtransistor hebben we bewezen dat het basisidee echt werkt. Dit is een beslissende doorbraak voor ons”, zegt Masiar Sistani.

Kunstmatige intelligentie

Deze nieuwe mogelijkheden zijn vooral interessant voor toepassingen op het gebied van kunstmatige intelligentie: “Onze menselijke intelligentie is gebaseerd op dynamisch veranderende circuits tussen zenuwcellen. Met nieuwe adaptieve transistors is het nu mogelijk om circuits gericht op de chip direct te veranderen, ‘, zegt Walter Weber. Meerwaardige logica kan ook op deze manier worden geïmplementeerd, dwz circuits die niet alleen werken met 0 en 1, maar met een groter aantal mogelijke toestanden.

Een snelle industriële toepassing van deze nieuwe technologie is realistisch: de gebruikte materialen worden vandaag al gebruikt in de halfgeleiderindustrie en er zijn geen volledig nieuwe productieprocessen nodig. In sommige opzichten zou de technologie zelfs eenvoudiger zijn dan voorheen: tegenwoordig worden halfgeleidermaterialen gedoteerd, dat wil zeggen verrijkt met individuele vreemde atomen. Dit is niet nodig met de op germanium gebaseerde transistor; zuiver germanium kan worden gebruikt.

“We willen de vorige transistortechnologie niet volledig vervangen door onze nieuwe transistor, dat zou aanmatigend zijn”, zegt Masiar Sistani. “Het is waarschijnlijker dat de nieuwe technologie in de toekomst als add-on in computerchips wordt verwerkt. Voor bepaalde toepassingen zal het gewoon energiezuiniger zijn om te vertrouwen op adaptieve transistors.”