Жидкие транзисторы

Изучая пути организации вычислений без использования кремния, корпорация IBM предложила способ построения виртуальных транзисторных схем, которые имитируют работу человеческого мозга.

Транзисторы будут изготавливаться из так называемых «сильно коррелирован­ных электронных оксидов», обладающих свойствами, которые позволяют выстра­ивать схемы с еще более высокой вычислительной мощностью и меньшим энергопотреблением.

«После 50 лет успешного применения кремниевых транзисторов возможности дальнейшего уменьшения их размеров фактически исчерпаны, — подчеркнул Стюарт Паркин, научный сотрудник подразделения IBM Research, возглавляю­щий проект. — Нам нужны альтернативные устройства и материалы, которые ра­ботали бы совсем по-другому. Альтернатив кремнию не так уж много. И одной из них являются коррелированные электронные оксиды».

Команда Паркина первой с помощью ионов кислорода сумела перевести оксиды металлов из изолированного состояния в проводящее. Подробности исследова­ния были опубликованы в журнале Science.

Схемы, используемые в современных компьютерных процессорах, памяти и дру­гих компонентах, представляют собой совокупность интегральных транзисторов, изготовленных из кремниевых пластин. Обычный транзистор меняет свое состоя­ние под воздействием на его затвор небольшого электрического напряжения. Таким образом, осуществляется переключение — включение или выключение — транзистора, и через него начинает течь электрический ток.

В технологии IBM применяется другой подход перевода материала в проводя­щее состояние, основанный на использовании материалов с сильно коррелиро­ванными электронами, например, оксидов металлов. В обычном состоянии эти материалы являются изоляторами и не проводят электрический ток. «Они не подчиняются обычной зонной теории, — пояснил Паркин. — Но при определен­ных условиях могут менять свое состояние и становиться проводниками».

В результате исследований, продолжавшихся несколько лет, ученым удалось найти способы изменения электропроводности коррелированных электронных ок­сидов. Применявшиеся ранее подходы основывались на приложении к материа­лу нагрузки и на изменении его температурного состояния. Ни один из них так и не нашел применения в массовом выпуске микросхем. Прорыв, совершенный ис­следователями из IBM, заключается в том, что электропроводность материала меняется под воздействием молекул кислорода.

В экспериментах IBM эти электроны вводились путем контакта с ионной жидко­стью, состоящей из крупных молекул неправильной формы. Когда к жидкости прилагалось напряжение и она помещалась на оксид металла, материал менял свое состояние с проводящего на изолирующее и наоборот.

Подход этот может оказаться более эффективным с точки зрения энергопотреб­ления по сравнению с использованием стандартных кремниевых транзисторов. Дело в том, что транзисторы здесь энергонезависимы — их не нужно постоянно подпитывать, для того чтобы они сохраняли свое состояние. Напряжение пода­ется лишь однажды, для переключения состояния.

«Наши материалы не могут переключаться так быстро, как кремниевые транзи­сторы, но их относительно низкая скорость переключения с лихвой компенсиру­ется получаемой гибкостью, — отметил Паркин. — Теоретически такие транзи­сторы могут имитировать работу человеческого мозга в том смысле, что измене­ние состояния материалов здесь осуществляется под воздействием жидкостей и потоков ионов. А нам известно, что мозг выполняет вычислительные операции в миллион раз эффективнее, чем кремниевые компьютеры».

Схемы подобного рода могут использовать микрожидкостный подход — опробо­ванную практику управления небольшими объемами жидкости, помещаемой в систему. «Мы будем помещать жидкость непосредственно на поверхности или на трехмерные структуры оксидов и изменять их свойства путем приложения электрического напряжения к затвору, — указал Паркин. — Когда виртуальная схема выполнит свою задачу, ее можно будет разобрать, просто пропустив жид­кость через другие каналы.