Komputery mogą być coraz mniejsze i wydajniejsze, ale do działania wymagają dużo energii. Całkowita ilość energii, jaką Stany Zjednoczone przeznaczają na komputery, dramatycznie wzrosła w ciągu ostatniej dekady i szybko zbliża się do innych głównych sektorów, takich jak transport.
W badaniu opublikowanym w Internecie w tym tygodniu w czasopiśmie Nature, University of California, Berkeley, inżynierowie opisują duży przełom w projektowaniu komponentów tranzystorów – maleńkich przełączników elektrycznych, które tworzą bloki konstrukcyjne komputerów – które mogą znacznie zmniejszyć ich liczbę. zużycie energii bez poświęcania szybkości, rozmiaru lub wydajności. Składnik zwany tlenkiem bramki odgrywa kluczową rolę w włączaniu i wyłączaniu tranzystora.
„Udało nam się wykazać, że nasza technologia bramek tlenkowych jest lepsza niż dostępne na rynku tranzystory: co dziś może zrobić przemysł półprzewodników warty bilionów dolarów – możemy w zasadzie je pokonać” – powiedział starszy autor badania Sayeef Salahuddin, wybitny profesor TSMC. Inżynierii Elektrycznej i Informatyki na UC Berkeley.
Ten wzrost wydajności jest możliwy dzięki efektowi zwanemu ujemną pojemnością, który pomaga zmniejszyć ilość napięcia potrzebnego do przechowywania ładunku w materiale. Salahuddin teoretycznie przewidział istnienie ujemnej pojemności w 2008 roku i po raz pierwszy zademonstrował efekt w krysztale ferroelektrycznym w 2011 roku.
Nowe badanie pokazuje, w jaki sposób można uzyskać ujemną pojemność w zaprojektowanym krysztale złożonym z warstwowego stosu tlenku hafnu i tlenku cyrkonu, który jest łatwo kompatybilny z zaawansowanymi tranzystorami krzemowymi. Poprzez włączenie materiału do modelowych tranzystorów badanie pokazuje, w jaki sposób ujemny efekt pojemności może znacznie obniżyć ilość napięcia wymaganego do sterowania tranzystorami, a w rezultacie ilość energii zużywanej przez komputer.
„W ciągu ostatnich 10 lat energia wykorzystywana do obliczeń wzrosła wykładniczo, stanowiąc już jednocyfrowy procent światowej produkcji energii, która rośnie tylko liniowo, bez widocznego końca” – powiedział Salahuddin. „Zazwyczaj, kiedy korzystamy z naszych komputerów i telefonów komórkowych, nie myślimy o tym, ile energii zużywamy. Ale jest to ogromna ilość i będzie tylko rosła. Naszym celem jest zmniejszenie zużycia energii potrzeby tego podstawowego bloku konstrukcyjnego komputerów, ponieważ zmniejsza to zapotrzebowanie na energię całego systemu”.
Doprowadzenie ujemnej pojemności do prawdziwej technologii
Najnowocześniejsze laptopy i smartfony zawierają dziesiątki miliardów maleńkich tranzystorów krzemowych, a każdy z nich musi być kontrolowany przez przyłożenie napięcia. Tlenek bramki to cienka warstwa materiału, która przekształca przyłożone napięcie w ładunek elektryczny, który następnie przełącza tranzystor.
Ujemna pojemność może zwiększyć wydajność tlenku bramki poprzez zmniejszenie napięcia wymaganego do uzyskania określonego ładunku elektrycznego. Ale tego efektu nie da się osiągnąć w byle jakim materiale. Wytworzenie ujemnej pojemności wymaga starannej manipulacji właściwością materiału zwaną ferroelektrycznością, która występuje, gdy materiał wykazuje spontaniczne pole elektryczne. Wcześniej efekt ten osiągano jedynie w materiałach ferroelektrycznych zwanych perowskitami, których struktura krystaliczna nie jest kompatybilna z krzemem.
W badaniu zespół wykazał, że ujemną pojemność można również osiągnąć poprzez połączenie tlenku hafnu i tlenku cyrkonu w skonstruowanej strukturze krystalicznej zwanej supersiecią, co prowadzi do jednoczesnej ferroelektryczności i antyferroelektryczności.
„Odkryliśmy, że ta kombinacja faktycznie daje nam jeszcze lepszy efekt ujemnej pojemności, co pokazuje, że zjawisko ujemnej pojemności jest znacznie szersze niż pierwotnie sądzono” – powiedział współautor badania Suraj Cheema, badacz z UC Berkeley. „Ujemna pojemność nie występuje tylko w konwencjonalnym obrazie ferroelektryka z dielektrykiem, co było badane w ciągu ostatniej dekady. Można faktycznie wzmocnić ten efekt, konstruując te struktury krystaliczne, aby wykorzystać antyferroelektryczność w połączeniu z ferroelektrycznością. “
Naukowcy odkryli, że struktura supersieci składająca się z trzech warstw atomowych tlenku cyrkonu umieszczonych pomiędzy dwiema warstwami jednoatomowymi tlenku hafnu, o łącznej grubości mniejszej niż dwa nanometry, zapewnia najlepszy ujemny efekt pojemnościowy. Ponieważ większość najnowocześniejszych tranzystorów krzemowych wykorzystuje już 2-nanometrowy tlenek bramki złożony z tlenku hafnu na wierzchu dwutlenku krzemu, a tlenek cyrkonu jest również używany w technologiach krzemowych, te struktury supersieci można łatwo zintegrować z zaawansowanymi tranzystorami .
Aby sprawdzić, jak dobrze struktura supersieci będzie działać jako tlenek bramki, zespół wyprodukował tranzystory krótkokanałowe i przetestował ich możliwości. Tranzystory te wymagałyby około 30% mniejszego napięcia przy zachowaniu standardów przemysłu półprzewodnikowego i bez utraty niezawodności w porównaniu z istniejącymi tranzystorami.
„Jednym z problemów, które często widzimy w tego typu badaniach, jest to, że możemy zademonstrować różne zjawiska w materiałach, ale te materiały nie są kompatybilne z zaawansowanymi materiałami obliczeniowymi, a więc nie możemy przynieść korzyści prawdziwej technologii” Salahuddin powiedział. „Ta praca przekształca ujemną pojemność z tematu akademickiego w coś, co można faktycznie wykorzystać w zaawansowanym tranzystorze”.
Nirmaan Shanker z UC Berkeley jest również współpierwszym autorem tego badania. Dodatkowi współautorzy to Li-Chen Wang, Cheng-Hsiang Hsu, Shang-Lin Hsu, Yu-Hung Liao, Wenshen Li, Jong-Ho Bae, Steve K. Volkman, Daewoong Kwon, Yoonsoo Rho, Costas P. Grigoropoulos, Ramamoorthy Ramesh i Chenming Hu z UC Berkeley; Matthew San Jose, Jorge Gomez, Wriddhi Chakraborty, Patrick Fay i Suman Datta z Uniwersytetu Notre Dame; Gianni Pinelli, Ravi Rastogi, Dominick Pipitone, Corey Stull, Matthew Cook, Brian Tyrrell i Mohamed Mohamed z Lincoln Laboratory w Massachusetts Institute of Technology; Vladimir A. Stoica z Pennsylvania State University; Zhan Zhang i John W. Freeland z Argonne National Laboratory; Christopher J. Tassone i Apurva Mehta z Krajowego Laboratorium Akceleratora SLAC; Ghazal Saheli i David Thompson z Applied Materials; Dong Ik Suh i Won-Tae Koo z SK Hynix; Kab-Jin Nam, Dong Jin Jung, Woo-Bin Song, Seunggeol Nam i Jinseong Heo z Samsung Electronics; Chung-Hsun Lin z Intel Corporation; Narendra Pariha i Souvik Mahapatra z Indyjskiego Instytutu Technologii; oraz Padraic Shafer i Jim Ciston z Lawrence Berkeley National Laboratory.
Badania te były częściowo wspierane przez Berkeley Center for Negative Capacitance Transistors (BCNCT), program DARPA Technologies for Mixed-mode Ultra Scaled Integrated Circuits (T-MUSIC), program University of California Multicampus Research Programs and Initiatives (UC MRPI) oraz Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Biuro Nauki, Biuro Podstawowych Nauk Energetycznych, Wydział Nauk o Materiałach i Inżynierii na podstawie umowy nr DE-AC02-05-CH11231 (program współprojektowania mikroelektroniki).