פריצת דרך בשבבים: טרנזיסטור זעיר שעשוי לחסוך בחשמל

צוות חוקרים מאוניברסיטת פקין (Peking University) והאקדמיה הסינית למדעים (Chinese Academy of Sciences) הציג פריצת דרך משמעותית בתעשיית המוליכים למחצה.

החוקרים פיתחו את הטרנזיסטור הפרואלקטרי (FeFET) שלטענתם הוא הקטן בעולם, עם אורך שער (Gate) של 1nm.

הפיתוח החדש, שפורסם בכתב העת Science Advances, מתמודד עם אחד מצווארי הבקבוק המרכזיים של תעשיית השבבים הנוכחית – צריכת החשמל.

הרכיב הזעיר מסוגל לפעול במתח של 0.6 וולט, נתון הנמוך משמעותית מהדרישות של טכנולוגיות זיכרון קיימות.

הכירו את ה-MoS2 FeFET בגודל 1nm

שבבי לוגיקה מודרניים פועלים ביעילות במתח של כ-0.7 וולט, אך זיכרונות בלתי נדיפים (Non-volatile memory) נפוצים, כגון פלאש NAND, דורשים לרוב 5 וולט או יותר לפעולות כתיבה.

אפילו טרנזיסטורים פרואלקטריים מהדורות הקודמים דרשו מעל 1.5 וולט.

פער המתחים הזה מאלץ שימוש במעגלי הגברת מתח (Step-up circuits) מורכבים, אשר גוזלים שטח יקר על גבי השבב וצורכים אנרגיה רבה.

בשבבי בינה מלאכותית (AI) טיפוסיים, בין 60 ל-90 אחוזים מכלל צריכת החשמל מנוצלים רק עבור העברת הנתונים, ולא עבור החישוב עצמו.

ארכיטקטורה וטכנולוגיה

כדי לפתור את הבעיה הזו, צוות המחקר השתמש בננו-צינוריות פחמן (Carbon nanotubes) מתכתיות בעלות דופן יחידה כאלקטרודות שער.

עיצוב זה מתפקד כננו-קצה (Nanotip), המרכז את השדה החשמלי כדי לשפר את הצימוד בין השכבה הפרואלקטרית לבין הערוץ.

העצמת השדה החשמלי מאפשרת לרכיב להפוך את מצב הקיטוב שלו במתח של 0.6 וולט בלבד, הנמוך ממתח הלוגיקה הסטנדרטי.

הטרנזיסטורים החדשים, המבוססים על מוליבדן דיסולפיד (MoS₂), מציגים ביצועי זיכרון מתקדמים במיוחד. הם מתהדרים ב”יחס זרם הדלקה לכיבוי” (On/Off ratio) של 2 מיליון, לצד מהירות תכנות גבוהה של 1.6 ננו-שניות.

על ידי השגת תאימות מתח בין יחידות הזיכרון ליחידות הלוגיקה, הטכנולוגיה החדשה מבטלת את הצורך במעגלי משאבת מטען (Charge pump) נוספים, ומסירה חסמים לאינטראקציה מהירה של נתונים.

צריכת חשמל וקירור

ללא הצורך במעגלי הגברת מתח זללניים, פליטת החום וצריכת האנרגיה של המערכת צפויות לרדת באופן משמעותי.

החוקרים מציינים כי הפחתת מתח העבודה ל-0.6 וולט חוסכת את רוב האנרגיה שהייתה מתבזבזת על תהליכי תעבורת המידע בתוך השבב.

זמינות

מכיוון שמדובר בפיתוח מחקרי ואקדמי שאך עתה פורסם, הטכנולוגיה אינה זמינה עדיין במוצרים מסחריים לצרכנים.

החוקרים מציינים כי הטכנולוגיה תואמת לתהליכי ייצור תעשייתיים, אך טרם סופק לוח זמנים להשקה מסחרית או להטמעה המונית במפעלי שבבים קיימים.