Menuju Transistor Yang Lebih Cepat

Fisikawan MIT menemukan fenomena fisik baru yang akhirnya bisa mengarah pada peningkatan pertama dalam komputer clock speed 'sejak tahun 2002.

Setup eksperimental Para peneliti 'terdiri dari sampel komposit lantanum alumina-strontium titanat, yang tampak seperti lempengan kaca tebal, dengan elektroda tipis diendapkan di atasnya.
Courtesy of Grup Ashoori

Pada 1980-an dan 90-an, persaingan di industri komputer itu semua "clock speed" tentang - berapa banyak megahertz, dan pada akhirnya gigahertz, sebuah chip bisa membanggakan. Tapi kecepatan jam macet dari hampir 10 tahun yang lalu: Chips yang berjalan lebih cepat juga berjalan lebih panas, dan dengan teknologi yang ada, tampaknya tidak ada cara untuk meningkatkan kecepatan clock tanpa menyebabkan chip terlalu panas.

Dalam edisi minggu ini jurnal Science, peneliti MIT dan rekan-rekan mereka di University of Augsburg di Jerman melaporkan penemuan fenomena fisik baru yang dapat menghasilkan transistor dengan kapasitansi sangat ditingkatkan - ukuran tegangan yang diperlukan untuk memindahkan biaya. Dan itu, pada gilirannya, bisa mengarah pada kebangkitan kecepatan clock sebagai ukuran kekuatan komputer.

Dalam chip komputer saat ini, transistor terbuat dari semikonduktor, seperti silikon. Masing-masing transistor elektroda disebut pintu; menerapkan tegangan ke gerbang menyebabkan elektron untuk mengakumulasi bawahnya. Elektron merupakan saluran melalui mana arus listrik bisa lewat, mengubah semikonduktor menjadi konduktor.

Kapasitansi mengukur berapa banyak biaya terakumulasi di bawah pintu gerbang untuk voltase tertentu. Kekuatan yang mengkonsumsi chip, dan panas yang memberikan off, secara kasar sebanding dengan kuadrat tegangan operasi gerbang itu. Jadi menurunkan tegangan secara drastis dapat mengurangi panas, menciptakan ruang baru untuk engkol sampai jam.

Shoomp!

MIT Profesor Fisika Raymond Ashoori dan Lu Li, dan Pappalardo Postdoc Fellow di lab nya - bersama dengan Christoph Richter, Stefan Paetel, Thilo Kopp dan Jochen Mannhart dari University of Augsburg - menyelidiki sistem fisik yang tidak biasa yang terjadi ketika lantanum aluminat ditanam di atas strontium titanat. Lantanum aluminat terdiri dari lapisan bolak lantanum oksida dan aluminium oksida. Lapisan lantanum berbasis memiliki muatan positif sedikit, lapisan aluminium berbasis muatan negatif sedikit. Hasilnya adalah serangkaian medan listrik bahwa semua menambahkan hingga ke arah yang sama, menciptakan potensial listrik antara bagian atas dan bawah materi.

Biasanya, lantanum baik alumina dan strontium titanat adalah isolator yang sangat baik, yang berarti bahwa mereka tidak melakukan arus listrik. Tapi fisikawan telah berspekulasi bahwa jika lantanum yang aluminat mendapat cukup tebal, potensial listrik nya akan meningkat menjadi titik bahwa beberapa elektron harus pindah dari atas bahan untuk bagian bawah, untuk mencegah apa yang disebut Hasil "bencana polarisasi." adalah saluran konduktif di persimpangan dengan strontium titanat - banyak seperti yang terbentuk ketika transistor diaktifkan. Jadi Ashoori dan rekan-rekannya memutuskan untuk mengukur kapasitansi antara saluran itu dan pintu gerbang elektroda di atas lantanum yang aluminat.

Mereka kagum dengan apa yang mereka temukan: Meskipun hasil mereka agak terbatas dengan alat eksperimen mereka, sangat mungkin bahwa perubahan sangat kecil dalam tegangan akan menyebabkan sejumlah besar biaya untuk masuk ke saluran antara kedua bahan. "Saluran ini bisa menyedot yang bertanggung jawab - shoomp! Seperti vakum, "kata Ashoori. "Dan itu beroperasi pada suhu kamar, yang merupakan hal yang benar-benar terkejut kita."

Memang, kapasitansi bahan adalah begitu tinggi bahwa para peneliti tidak percaya dapat dijelaskan oleh fisika yang ada. "Kami telah melihat hal yang sama dalam semikonduktor," kata Ashoori, "tapi itu sampel yang sangat murni, dan efeknya sangat kecil. Ini adalah contoh super-kotor dan efek super-besar "Ini masih belum jelas, Ashoori kata, hanya mengapa efeknya sangat besar:".. Hal ini bisa menjadi efek kuantum mekanik baru atau fisika tidak diketahui materi "

"Untuk kapasitansi, ada rumus yang dianggap benar dan digunakan dalam industri komputer dan di semua buku pelajaran," kata Jean-Marc Triscone, seorang profesor fisika di Universitas Jenewa kelompok yang telah menerbitkan beberapa makalah pada titik antara lantanum alumina dan strontium titanat. "Apa tim MIT dan Mannhart menunjukkan adalah bahwa untuk menggambarkan sistem mereka, formula ini harus diubah."

Ada satu kelemahan pada sistem bahwa para peneliti menyelidiki: Walaupun banyak biaya akan pindah ke saluran antara bahan dengan sedikit perubahan dalam tegangan, bergerak perlahan - terlalu lambat untuk jenis switching frekuensi tinggi yang terjadi di chip komputer. Itu bisa jadi karena sampel material adalah, sebagai Ashoori berkata, "kotor super"; sampel murni mungkin menunjukkan perlawanan kurang listrik. Tapi juga mungkin bahwa, jika peneliti dapat memahami fenomena fisik yang luar biasa yang mendasari kapasitansi bahan, mereka mungkin dapat mereproduksi mereka dalam materi lebih praktis.

Triscone memperingatkan bahwa perubahan grosir dengan cara chip komputer yang diproduksi pasti akan menghadapi perlawanan. "Begitu banyak uang yang telah disuntikkan ke dalam industri semikonduktor selama puluhan tahun bahwa untuk melakukan sesuatu yang baru, Anda memerlukan teknologi yang benar-benar mengganggu," katanya.

"Ini tidak akan merevolusi besok elektronik," setuju Ashoori. "Tapi mekanisme ini ada, dan setelah kita tahu itu ada, jika kita dapat memahami apa itu, kita dapat mencoba untuk insinyur itu."

(web.mit.edu)