راهپیمایی بی‌امان قدرت محاسباتی مدت‌هاست که به توانایی ما در کوچکتر کردن و کارآمد کردن قطعات الکترونیکی متکی بوده است. در قلب این پیشرفت، ترانزیستور فروتن نهفته است – بلوک اصلی ساختمان الکترونیک مدرن. با این حال، همانطور که دنیای دیجیتال ما گسترش می‌یابد و کاربردهای هوش مصنوعی بیشتر می‌شود، به مقطع حساسی نزدیک می‌شویم که در آن فن‌آوری نیمه‌رسانای سنتی مبتنی بر سیلیکون با موانع فیزیکی غیرقابل عبور روبرو می‌شود.
چالش دیگر فقط کوچک کردن چیزها نیست. دستگاه‌های الکترونیکی امروزی، از تلفن‌های هوشمند گرفته تا مراکز داده، با افزایش تقاضای انرژی دست و پنجه نرم می‌کنند، در حالی که نیمه‌رساناهای سنتی تلاش می‌کنند تا سرعت خود را حفظ کنند. این چالش مصرف انرژی به ویژه با رشد تصاعدی برنامه های کاربردی هوش مصنوعی، که به سطوح بی سابقه ای از قدرت محاسباتی نیاز دارد، شدیدتر شده است.
شکستن موانع سنتی
در هسته این گلوگاه فناوری چیزی نهفته است که کارشناسان آن را “استبداد بولتزمن” می نامند – یک محدودیت فیزیکی اساسی که حداقل ولتاژ مورد نیاز را برای ترانزیستورهای سیلیکونی برای کارکرد موثر تعیین می کند. این محدودیت به یک مانع بزرگ در تلاش برای سیستم‌های محاسباتی کارآمدتر تبدیل شده است.
با این حال، الف توسعه توسط محققان MIT یک فرار بالقوه از این محدودیت فیزیکی ارائه می دهد. همانطور که پروفسور MIT ژسوس دل آلامو توضیح می دهد، “با فیزیک متعارف، تنها تا جایی می توان پیش رفت… اما ما باید از فیزیک های مختلف استفاده کنیم.” این رویکرد متفاوت شامل مهار خواص مکانیکی کوانتومی از طریق طراحی نوآورانه ترانزیستور سه بعدی است.
رویکرد جدید تیم تحقیقاتی با استفاده از ترکیبی منحصربه‌فرد از مواد و پدیده‌های کوانتومی، از طراحی نیمه‌رسانای معمولی متفاوت است. این دستگاه‌های جدید به جای تلاش برای فشار دادن الکترون‌ها بر روی موانع انرژی – روش سنتی در ترانزیستورهای سیلیکونی – از تونل‌سازی کوانتومی استفاده می‌کنند و به الکترون‌ها اجازه می‌دهند تا به طور موثر از میان موانع در سطوح ولتاژ پایین‌تر “تونل بزنند”.
عناصر طراحی انقلابی
دور شدن از محدودیت های سیلیکون نیازمند بازنگری کامل در معماری ترانزیستور بود. تیم MIT راه حل خود را با استفاده از ترکیبی نوآورانه از گالیم آنتی مونید و آرسنید ایندیم – موادی که به طور خاص برای خواص مکانیکی کوانتومی منحصر به فرد خود انتخاب شده اند، توسعه دادند. این انحراف از طرح های سنتی مبتنی بر سیلیکون نشان دهنده یک تغییر اساسی در مهندسی نیمه هادی است.
این پیشرفت در معماری سه بعدی دستگاه نهفته است که دارای نانوسیم های عمودی است که به روش هایی عمل می کنند که قبلا غیرممکن تصور می شد. این ساختارها از خواص مکانیکی کوانتومی استفاده می کنند و در عین حال ویژگی های عملکرد استثنایی را حفظ می کنند. نویسنده اصلی، Yanjie Shao، خاطرنشان می کند: “این یک فناوری با پتانسیل جایگزینی سیلیکون است، بنابراین می توانید از آن با تمام عملکردهایی که در حال حاضر سیلیکون دارد، اما با بهره وری انرژی بسیار بهتر استفاده کنید.”
چیزی که این طرح را متمایز می کند، اجرای تونل کوانتومی است – پدیده ای که در آن الکترون ها به جای بالا رفتن از موانع انرژی، از موانع انرژی عبور می کنند. این رفتار مکانیکی کوانتومی، همراه با طراحی دقیق معماری، ترانزیستورها را قادر می‌سازد تا در ولتاژهای بسیار پایین‌تری عمل کنند و در عین حال سطوح عملکردی بالایی داشته باشند.
دستاوردهای فنی
معیارهای عملکرد این ترانزیستورهای جدید به ویژه چشمگیر است. آزمایش‌های اولیه نشان می‌دهد که آنها می‌توانند زیر محدودیت‌های ولتاژ نظری که دستگاه‌های سیلیکونی سنتی را محدود می‌کنند و در عین حال عملکرد قابل مقایسه ای ارائه می‌دهند، کار کنند. مهم‌تر از همه، این دستگاه‌ها عملکردی تقریباً 20 برابر بهتر از ترانزیستورهای تونل‌زنی مشابهی دارند که قبلاً ساخته شده بودند.
دستاوردهای اندازه به همان اندازه قابل توجه است. این تیم تحقیقاتی با موفقیت ساختارهای نانوسیمی عمودی با قطر تنها 6 نانومتر را ساختند که تصور می‌شود جزو کوچک‌ترین ترانزیستورهای سه‌بعدی هستند که تاکنون گزارش شده‌اند. این کوچک‌سازی برای کاربردهای عملی بسیار مهم است، زیرا می‌تواند بسته‌بندی با چگالی بالاتر قطعات را روی تراشه‌های کامپیوتری امکان‌پذیر کند.
با این حال، این دستاوردها بدون چالش های تولیدی قابل توجه به دست نیامدند. کار در چنین مقیاس های کوچکی نیاز به دقت استثنایی در ساخت دارد. همانطور که پروفسور دل آلامو مشاهده می کند، «ما با این کار واقعاً به ابعاد تک نانومتری رسیده ایم. گروه های بسیار کمی در جهان می توانند ترانزیستورهای خوبی در این محدوده بسازند. تیم استفاده کرد MIT.nano امکانات پیشرفته برای دستیابی به کنترل دقیق مورد نیاز برای این ساختارهای نانومقیاس. یک چالش خاص در حفظ یکنواختی بین دستگاه‌ها نهفته است، زیرا حتی یک واریانس یک نانومتری می‌تواند رفتار الکترون‌ها را در این مقیاس‌ها به طور قابل‌توجهی تحت تأثیر قرار دهد.
پیامدهای آینده
تأثیر بالقوه این پیشرفت بسیار فراتر از تحقیقات دانشگاهی است. از آنجایی که هوش مصنوعی و وظایف محاسباتی پیچیده به پیشرفت تکنولوژی ادامه می دهند، تقاضا برای راه حل های محاسباتی کارآمدتر به طور فزاینده ای حیاتی می شود. این ترانزیستورهای جدید می توانند اساساً نحوه رویکرد ما به طراحی دستگاه های الکترونیکی و مصرف انرژی در محاسبات را تغییر دهند.
مزایای بالقوه کلیدی عبارتند از:
- کاهش قابل توجه مصرف برق برای مراکز داده و امکانات محاسباتی با کارایی بالا
- قابلیت های پردازش پیشرفته برای برنامه های کاربردی هوش مصنوعی و یادگیری ماشین
- دستگاه های الکترونیکی کوچکتر و کارآمدتر در همه بخش ها
- کاهش اثرات زیست محیطی ناشی از زیرساخت های محاسباتی
- پتانسیل برای طرح های تراشه با چگالی بالاتر
اولویت های توسعه فعلی:
- بهبود یکنواختی ساخت در کل تراشه ها
- بررسی سازه های باله ای شکل عمودی به عنوان یک طرح جایگزین
- افزایش قابلیت های تولید
- پرداختن به قوام تولید در مقیاس نانومتری
- بهینه سازی ترکیبات مواد برای دوام تجاری
مشارکت بازیگران اصلی صنعت، از جمله تأمین مالی جزئی شرکت اینتل برای این تحقیق، نشان دهنده علاقه تجاری قوی به پیشرفت این فناوری است. همانطور که محققان به اصلاح این نوآوری ها ادامه می دهند، مسیر پیشرفت آزمایشگاهی تا اجرای عملی به طور فزاینده ای روشن می شود، اگرچه چالش های مهندسی قابل توجهی باقی مانده است که باید حل شوند.
خط پایین
توسعه این ترانزیستورهای تقویت‌شده کوانتومی، لحظه‌ای مهم در فناوری نیمه‌رساناها را نشان می‌دهد و توانایی ما را برای فراتر رفتن از محدودیت‌های فیزیکی سنتی از طریق مهندسی نوآورانه نشان می‌دهد. محققان MIT با ترکیب تونل‌سازی کوانتومی، معماری سه‌بعدی دقیق و مواد جدید، فرصت‌های جدیدی را برای محاسبات کم‌مصرف انرژی باز کرده‌اند که می‌تواند صنعت را متحول کند.
در حالی که مسیر پیاده‌سازی تجاری چالش‌هایی را به همراه دارد، به‌ویژه در سازگاری تولید، این پیشرفت یک جهت امیدوارکننده برای رسیدگی به نیازهای محاسباتی رو به رشد عصر دیجیتال ما فراهم می‌کند. از آنجایی که تیم شائو به اصلاح رویکرد خود و بررسی احتمالات ساختاری جدید ادامه می‌دهد، کار آنها می‌تواند نوید دهنده آغاز عصر جدیدی در فناوری نیمه‌رسانا باشد – دوره‌ای که خواص مکانیکی کوانتومی به رفع نیازهای فزاینده محاسبات مدرن کمک می‌کند و در عین حال مصرف انرژی را کاهش می‌دهد.
