Nowy chiński układ bezsilikonowy pokonuje propozycje od Intela i TSMC, zapewniając prędkość większą o 40% i zużywając o 10% mniej energii. Został on wykonany na bazie bizmutu i nie tylko wprowadzi rewolucję, ale również może pozwolić na niezależność Chinom.
Tranzystor 2D opiera się na bizmucie
Uniwersytet Pekiński wydał na ten temat oficjalne oświadczenie, w którym twierdzi konkretnie: “To najszybszy i najwydajniejszy tranzystor, jaki kiedykolwiek powstał”. Trzeba przyznać, że to bardzo śmiałe i mocne słowa. Zespół badawczy pod przewodnictwem profesora chemii fizycznej Penga Hailina uważa, że jego podejście stanowi fundamentalną zmianę w technologii półprzewodników. Opisuje to obrazowo: “Jeśli innowacje w zakresie układów scalonych bazujące na istniejących materiałach uznamy za ‘skrót’, to nasz rozwój tranzystorów opartych na materiałach 2D można porównać do ‘zmiany pasa ruchu'”.
Przełomowym osiągnięciem chińskiego zespołu jest tranzystor 2D na bazie bizmutu, który przewyższa wydajnością najbardziej zaawansowane komercyjne układy scalone 3nm firm Intel, TSMC, Samsung i belgijskiego Międzyuniwersyteckiego Centrum Mikroelektroniki (Interuniversity Microelectronics Centre). W przeciwieństwie do tradycyjnych tranzystorów krzemowych, które mają problemy z miniaturyzacją i oszczędnością energii przy ekstremalnie małej skali, ta nowa konstrukcja oferuje rozwiązanie pozbawione tych ograniczeń.
Sankcje impulsem dla innowacji?
Według Penga sankcje nałożone przez USA ograniczyły dostęp Chin do najnowocześniejszych tranzystorów krzemowych, co skłoniło chińskich badaczy do poszukiwania alternatywnych rozwiązań i nowych perspektyw. Zespół opracował tranzystor polowy bramkowy (GAAFET) przy użyciu materiałów na bazie bizmutu. Ten projekt znacznie odbiega od struktury Fin Field-Effect Transistor (FinFET), która jest standardem branżowym od czasu, gdy Intel wprowadził ją na rynek w 2011 roku
Ograniczenia układów scalonych na bazie krzemu stały się coraz bardziej widoczne, ponieważ przemysł próbuje zwiększyć gęstość integracji poza 3 nanometry. Nowa struktura GAAFET eliminuje potrzebę “fin” stosowanego w projektach FinFET, zwiększając powierzchnię styku między bramką a kanałem. Naukowcy porównali tę zmianę do zamiany wysokich budynków na połączone mosty, co ułatwiłoby przemieszczanie się elektronów.
Czytaj też: Opracowali IsoMat. Albo kogoś poniosło, albo znany nam świat zmieni się na naszych oczach
Aby jeszcze bardziej zoptymalizować wydajność, badacze wykorzystali materiały półprzewodnikowe 2D. Mają jednolitą grubość atomową i większą ruchliwość w porównaniu do krzemu, co czyni je realną alternatywą dla układów scalonych nowej generacji . Jednak wcześniejsze próby wykorzystania materiałów 2D w tranzystorach napotykały na wyzwania strukturalne, które ograniczały ich skuteczność.
Zespół PKU pokonał te przeszkody, konstruując własne materiały na bazie bizmutu. A konkretnie są to Bi2O2Se i Bi2SeO5, które służą jako półprzewodnik i materiał tlenku o wysokiej dielektryczności. Wysoka stała dielektryczna tych materiałów zmniejsza straty energii, minimalizuje wymagania dotyczące napięcia i zwiększa moc obliczeniową, jednocześnie zmniejszając zużycie energii. Naukowcy wytworzyli swoje eksperymentalne tranzystory, korzystając z precyzyjnej platformy przetwarzania PKU.
Wyniki zweryfikowano za pomocą obliczeń teorii funkcjonału gęstości (DFT), które potwierdziły, że interfejs materiału Bi2O2Se/Bi2SeO5 ma mniej defektów i płynniejszy przepływ elektronów niż istniejące interfejsy półprzewodnik-tlenek. Zmniejsza to rozpraszanie elektronów i straty prądu, umożliwiając przepływ elektronów niemal bez oporu, podobnie jak woda przepływająca przez gładką rurę.
Co da nam 2D w praktyce? Dzięki tranzystorom 2D opartym na tej technologii, które mogą działać 1,4 razy szybciej niż najbardziej zaawansowane chipy oparte na krzemie przy 90% ich zużycia energii. Zespół PKU wciąż poznaje temat – zbudowano już małe jednostki logiczne przy użyciu nowych tranzystorów, wykazując wysoki zysk napięcia przy bardzo niskich napięciach roboczych.