Obvody s tranzistory PET by zvládly 30 GHz

Marek Janouš 30. 3. 2016

Přitom by spotřebovávaly jen zlomek toho, co dnešní CMOS. Dočkáme se jich, podaří‑li se spolehlivě a levně vyrábět v nanoměřítku piezoelektrická hradla a piezoodporové polovodiče.

Už řadu let se hledá náhrada za tranzistory MOSFET, na nichž jsou založeny integrované obvody běžné dnes. MOSFET jsou pro dnešní potřeby už neefektivní — spoustu energie proměňují na odpadní teplo, a to omezuje i dostupné kmitočty, jež se nezvyšují už zhruba deset let; ještě stále je možné tyto tranzistory zmenšovat, ale jejich dostupná rychlost už dosáhla omezení přírodními zákony.

Mark Stewart, jenž pracuje na projektu Nanostrain, připomíná v Computer Weekly jeden možný směr vývoje náhrady: tranzistor „PET“ — řízený nikoli elektrickým polem, ale piezoelektrickým prvkem (piezoelectric‑effect transistor).

PET má mít tyto výhody:

  • Rychlost — změna stavu nastává „téměř okamžitě“, v nanoměřítku v řádu pikosekund; obvody založené na PET by údajně mohly pracovat na kmitočtech až 30 GHz.
  • Hospodárnost — procesory založené na PET by vyžadovaly jen desetinu napětí oproti užívanému dnes a spotřebovávaly by jen setinu elektrické energie. To by znamenalo podstatný průlom například pro výdrž mobilních zařízení, nebo pro výpočetní výkon v nich dostupný, ale ovšem třeba i pro spotřebu a chlazení datacenter.

Laboratoře IBM Research představily prototyp PET už v roce 2012, a mají na něj podánu patentovou přihlášku, ale PET zatím zůstává omezen na laboratoř. Podle Marka Stewarta je třeba přesnějších měření a lepšího poznání chování potřebných materiálů.

Jev piezoelektrický objevili v roce 1880 bratři Pierre Jacques Curie: krystaly některých látek se mechanickým stlačením nabíjejí elektricky, jak stlačení vychýlí ionty v krystalické mřížce; ale projevují se také opačně, elektrické pole způsobí změnu jejich tvaru — rozepnutí v jednom rozměru a smrštění v jiném — tím, jak přitahuje nebo odpuzuje ionty v krystalické mřížce.

PET však využívá ještě jevu piezoodporového (objeveného v roce 1856 Kelvinem): určité látky mění pod tlakem svou elektrickou vodivost.

Piezoelektronický tranzistor vyvinutý v laboratořích IBM Research
Autor: IBM Research

Piezoelektronický tranzistor vyvinutý v laboratořích IBM Research

Piezoelektronický tranzistor

Přes označení PET slouží v tomto tranzistoru jako polovodič látka piezorezistivní, na obrázku červená.

Prvek piezoelektrický — na obrázku modrý — působí tak, že při přivedení napětí na řídicí hradlo (gate) rozepne se ve směru pole a zatlačí na prvek piezorezistivní; ten se pod tlakem promění z nevodiče ve vodič.

Míra vodivosti prvku piezorezistivního určí proud mezi ostatními dvěma kontakty tranzistoru, jež tvůrci PET nazvali „sense“ a „common“.

Tranzistor musí být sevřen v látce zvláště tuhé (na obrázku šedě).

Závislost vodivosti SmSe na tlaku
Autor: IBM Research

Závislost vodivosti SmSe na tlaku

Pro prvek piezorezistivní vybrali si výzkumníci selenid samarnatý, SmSe, ale obdobné vlastnosti vykazuje několik dalších chalkogenidů vzácných zemin, jako SmTe (tellurid samarnatý), SmS (sulfid samarnatý), tedy monochalkogenidy samaria, dále TmTe (tellurid thulnatý) nebo SmEuS.

Na těchto neběžných sloučeninách se výzkumníkům zamlouvá plynulý přechod z nevodiče ve vodič v závislosti na tlaku, a dále vysoký poměr prvotní nevodivosti k dosažitelné vodivosti, jenž je potřebný k energetické úspornosti zařízení.

Opakované stlačování nezpůsobuje těmto látkám únavu, jelikož nenarušuje a nemění vazby mezi atomy, pouze stlačuje zakázaný pás mezi vrstvou valenční vodivostní a přibližuje k sobě plně obsazený orbital 4f6 a prvotně zcela prázdný 5d0, do něhož po stlačení mohou pronikat elektrony ze 4f.

Vyrábět nanotenké filmy těchto látek již lze, hlavní otázka po vytvoření prototypu spočívala v tom, zda si i v nanoměřítku zachovají žádoucí vlastnosti a zda budou dostatečně spolehlivé a výroba obvodů přijatelně levná.

Na tyto otázky má pomoci odpovědět evropský výzkumný projekt Nanostrain, na němž se podílí několik národních ústavů metrologických, včetně českého ČMI, a také řada partnerů ze sféry komerční, včetně IBM TJ Watson Research Center.

Projekt řeší v prvé řadě způsoby spolehlivého měření rozpínání piezoelektrických látek v nanoměřítku.

Je rozvržen na tři roky a započal už na podzim 2013, zbývá mu tedy zhruba půlrok. Jeho výsledky mají být otevřeně zpřístupněny průmyslu a mají přispět k rozvoji nanotechnologií obecně.

Ale kdy se na trhu objeví hromadně vyráběné integrované obvody založené na PET, objeví‑li se vůbec? Mark Stewart odhadl v rozhovoru natočeném před dvěma roky, že ne dříve než za patnáct až dvacet let.

Našli jste v článku chybu?
120na80.cz: Jak se zbavit nadměrného pocení?

Jak se zbavit nadměrného pocení?

Měšec.cz: Do ostravské MHD bez jízdenky. Stačí vaše karta

Do ostravské MHD bez jízdenky. Stačí vaše karta

Vitalia.cz: Výživáři se shodnou, nejlepším pitím je lassi

Výživáři se shodnou, nejlepším pitím je lassi

Měšec.cz: Banky umí platby na kartu, jen to neříkají

Banky umí platby na kartu, jen to neříkají

Podnikatel.cz: Prodej na Alibabě? Malí hráči utřou nos

Prodej na Alibabě? Malí hráči utřou nos

Podnikatel.cz: 3 velké průšvihy obchodních řetězců

3 velké průšvihy obchodních řetězců

Vitalia.cz: Paní výčepní: Holka, co mluví chlapům do piva

Paní výčepní: Holka, co mluví chlapům do piva

DigiZone.cz: Ve Varech představeni i noví "Četníci"

Ve Varech představeni i noví "Četníci"

Vitalia.cz: Zmrzlinu? Ani snad ne

Zmrzlinu? Ani snad ne

Podnikatel.cz: Od baletu k požární ochraně. A jiné rarity

Od baletu k požární ochraně. A jiné rarity

Vitalia.cz: Klíšťata letos řádí, skvrna se udělá jen někomu

Klíšťata letos řádí, skvrna se udělá jen někomu

120na80.cz: Tipy pro odvodnění organismu

Tipy pro odvodnění organismu

DigiZone.cz: DAB už i z Košic. A překvapivě!

DAB už i z Košic. A překvapivě!

Vitalia.cz: Pepsi Cola mění sirup za cukr

Pepsi Cola mění sirup za cukr

Lupa.cz: eIDAS: Nepřehnali jsme to s výjimkami?

eIDAS: Nepřehnali jsme to s výjimkami?

DigiZone.cz: Sat novinky: Skylink skončil s kanály ČT

Sat novinky: Skylink skončil s kanály ČT

Podnikatel.cz: Akční plán podpoří byznys padesátníků

Akční plán podpoří byznys padesátníků

Měšec.cz: Investice do drahých kovů - znáte základní chyby?

Investice do drahých kovů - znáte základní chyby?

Podnikatel.cz: Profese budoucnosti? Úředník nepřežije

Profese budoucnosti? Úředník nepřežije

DigiZone.cz: Nestihli jste Bonda na ČT2? Zkuste RTVS

Nestihli jste Bonda na ČT2? Zkuste RTVS