Tyrėjai sukūrė naują teorinę sistemą, kuri parodo, kaip atmintį išsaugantys „memtranzistoriai“ gali įveikti vidines efektyvumo ribas, su kuriomis susiduria įprasti puslaidininkiniai tranzistoriai, ir kurias nustato termodinamikos dėsniai.
Atmintį išsaugantis tranzistorius, galintis apeiti termodinamikos dėsnių nustatytas ribas. Kreditas: Rafael S W Silva ir kt.
Vadovaujami Viktoro Lopezo-Richardo iš San Karloso federalinio universiteto (Brazilija), bendradarbiaudami su Viurcburgo universitetu (Vokietija) ir Ričmondo universitetu (JAV), tyrėjai parodė, kad tolesnis tranzistorių perjungimo efektyvumo patobulinimas gali būti pasiektas tiesiog panaudojus atminties efektus, kurie jau yra daugelyje nanoskalės įrenginių. Tyrimas buvo paskelbtas Physical Review Applied.
Boltzmanno riba
Puslaidininkiniai tranzistoriai yra šiuolaikinio skaičiavimo elementai, galintys įjungti ir išjungti elektros srovę vos kelių nanometrų skalėje. Dešimtmečius nuolat tobulėjant puslaidininkių technologijai jie tapo vis kompaktiškesni. Kaip sako Moore’o dėsnis, tranzistorių, kurie gali būti supakuoti į vieną mikroschemą, skaičius kas dvejus metus padvigubėja, o tai lemia eksponentinį skaičiavimo galios augimą.
Tačiau pastaruoju metu daugelis inžinierių įrodinėjo, kad šis kadaise patikimas dėsnis pradeda nykti. Šią nerimą keliančią perspektyvą apsunkina „Boltzmanno riba“: pagrindinis apribojimas, pagrįstas termodinamika, kaip efektyviai įjungti ir išjungti tranzistorių. „Ši riba nustato pagrindines minimalias elektros energijos sąnaudas perjungiant elektroninius įrenginius“, – aiškina Lopez-Richard.
Atmintį išsaugantys tranzistoriai
Siekiant užtikrinti, kad technologijos galėtų ir toliau tobulėti, atrodo neišvengiama, kad pagrindinę tranzistorių struktūrą, kuri atsilaikė nuo 1940 m., reikės iš esmės pakeisti. Norint tai pasiekti, „ankstesni būdai įveikti šią kliūtį paprastai rėmėsi sudėtingais mechanizmais, tokiais kaip feroelektra arba kvantinis tuneliavimas“, – sako Lopez-Richard.
Tačiau komanda pastebėjo, kad puslaidininkinių tranzistorių perjungimo elgsena dar nebuvo užfiksuota universalioje teorinėje sistemoje. Iki šiol prietaisai buvo aprašyti naudojant kvantinio transportavimo teoriją, kuri tiksliai fiksuoja elektronų srautą per nanoskalės struktūras.
Tačiau kai kuriuose tranzistoriuose šį perdavimą įtakoja tai, kaip neseniai įrenginys buvo įjungtas arba išjungtas. Taip yra dėl puslaidininkio kristalinės struktūros efektų, dėl kurių elektronai įstrigo, sukuriant vidinės atminties efektą.
Suvienodindami kvantinio transportavimo ir krūvio gaudymo aprašymus, tyrėjai siekė sukurti analitinę išraišką, kuri tiksliau atspindėtų šių „memtranzistorių“, kuriuos galima rasti daugelyje nanoskalės įrenginių, elgseną. „Skirtingai nuo ankstesnių metodų, mūsų modelis paaiškina subterminį perjungimą, nesiremdamas feroelektrinėmis medžiagomis ar tuneliavimo mechanizmais“, – aiškina Lopez-Richard. „Teorija taip pat pateikia analitines projektavimo taisykles memtransistorių optimizavimui.“
Slenksčio mažinimas
Pasitelkę savo sistemą, Lopez-Richard ir jo kolegos tikisi, kad pagaliau gali atsirasti naujų būdų, kaip toliau tobulinti puslaidininkinių tranzistorių dizainą. „Mūsų rezultatai rodo, kad atminties dinamika gali natūraliai pagerinti tranzistoriaus perjungimo efektyvumą viršijant įprastą Boltzmanno ribą“, – sako jis.
Kai daugelis naujausių tyrimų paskatino iš esmės pakeisti tranzistorių technologiją, komandos rezultatai galiausiai rodo, kad Boltzmanno ribos peržengimas gali būti daug labiau pasiekiamas, nei manėme. „Tai galėtų paspartinti energiją taupančių skaičiavimo technologijų, įskaitant neuromorfines ir atminties skaičiavimo architektūras, kūrimą“, – sako Lopez-Richard.
Rafael Schio Wengenroth Silva et al, Overcoming the Boltzmann limit in two-dimensional memtransistors via hysteretic charge trapping, Physical Review Applied (2026). DOI: 10.1103/3m8n-ctrv. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2510.24883
Journal information:Physical Review Applied , arXiv
Kas pakeis dabartinę elektroninę atmintį?
Sukurtas mažiausias pasaulyje atomų dydžio atminties įrenginys
NASA naujasis dirbtinio intelekto kosminis lustas galėtų leisti erdvėlaiviams mąstyti patiems
Lustas su trilijonu tranzistorių pasiekė greičio rekordą
VILNIUS TECH tyrėjo sukurtas lustas – inovacija transporto elektronikoje