Winzige piezoelektronische Vorrichtung beschleunigt CMOS-Chips
Computernutzer hatten sich daran gewöhnt, dass jede neue Chip-Generation schneller ist als die vorherige war. Die höheren Geschwindigkeiten ergeben sich aus den kleineren komplementären Metalloxid-Halbleiter-Speicherchips (CMOS), die für alle Computer und computergestützte Geräte eine zentrale Funktion haben. Mit abnehmender Größe sinkt auch die Spannung, und das ermöglicht ein schnelleres Schalten der Transistoren. Ab einer bestimmten Größe beginnen jedoch Quanteneffekte zu wirken. CMOS-Chips werden dann immer energieintensiver. Eine weitere Erhöhung der Geschwindigkeit erfordert mehr elektrische Energie und verteuert damit den Betrieb der Geräte. Damit endete um das Jahr 2003 herum der exponentielle Anstieg der Chip-Geschwindigkeiten, der die gesamte Mikrochip-Ära prägte. Leistungssteigerungen sind seither auf eine erhöhte Transistordichte und mehrere Prozessorkerne und nicht auf echte Geschwindigkeitsverbesserungen zurückzuführen. Die Elektronikindustrie benötigt eine neue CMOS-Transistortechnologie, und das EU-finanzierte Projekt PETMEM (Piezoelectronic Transduction Memory Device) hat sich um deren Entwicklung bemüht. Das Ergebnis, ein piezoelektronischer Transduktionstransistor (PET-Transistor), wird voraussichtlich schneller und energieeffizienter sein als herkömmliche CMOS-Transistoralternativen.
Neuer Transistor
Der PET-Transistor ist ein neuartiger elektronischer Schalter, der mit dem piezoelektrischen Effekt arbeitet. Das Prinzip beruht im Wesentlichen darauf, dass ein geeignetes Material, wenn es gepresst wird, Strom erzeugt; umgekehrt ändert das Material durch das Anlegen von Strom seine Form und erzeugt einen mechanischen Effekt. Der PET-Transistor nutzt diesen Effekt in beide Richtungen und arbeitet dabei mit zwei miteinander verbundenen Materialien. Zuerst wandelt das Gerät ein elektronisches Signal in eine Schall(druck)welle um. Der Druck komprimiert ein piezoresistives Material, und die Kompression schaltet den elektrischen Widerstand des Materials ein und aus. Im Ganzen betrachtet, aktiviert das An- oder Abschalten der Spannung den Schalter. Wie hoch die Spannung ist, hängt von den piezoelektrischen Eigenschaften der Materialien ab. Bestimmte in den letzten Jahren entwickelte Materialien arbeiten mit sehr niedrigen Spannungen. Niederspannung bedeutet eine hohe Schaltgeschwindigkeit. Projektkoordinator Nick Chadwick erklärt: „Wenn wir das ganze Sandwich zusammendrücken und alle Maße verkleinern, können wir einen winzigen elektronischen Schalter im 100-Nanometer-Format realisieren.“
Leistungsstarkes Schalten
Ein so kleiner Transistor soll 10 Milliarden Schaltvorgänge pro Sekunde durchführen. Dies könnte nach der nächsten Phase der Technologieentwicklung in diesem Projekts zur Entwicklung von 10-GHz-Geräten führen. Die ersten Industriekunden werden voraussichtlich aus der Telekommunikationsbranche kommen. Mobile Kommunikationsgeräte benötigen schnelle, stromsparende Schalter, um das volle Potenzial der 5G-Dienste auszuschöpfen. PET ist in der Lage, die dafür erforderliche Leistung anzubieten. Längerfristig werden Computerchips einen sehr geringen Stromverbrauch des Prozessorspeichers verursachen, den wiederum das PET bereitstellen könnte. „Am Anfang fehlte es uns an Produktionsanlagen, einem ausgereiften Prozessablauf und an Testwerkzeugen. Also mussten wir das alles vor dem PET-Transistor erst entwickeln“, sagt Chadwick. Das Team geht davon aus, dass die ersten funktionierenden Geräte im Laufe des Jahres 2020 fertiggestellt werden. Sobald die Prototypen fertig sind, kann das Team mit der umfassenden kommerziellen Bewertung für Mobilfunkanwendungen fortfahren. Anschließend wird die Gruppe Möglichkeiten der Zusammenarbeit mit größeren Labors und Finanzierungsmöglichkeiten zur gemeinsamen Entwicklung der Technologie prüfen. Durch die Arbeit im PETMEM-Projekt und dem neu entwickelten CMOS-Gerät wird die Blockade für höhere Chip-Geschwindigkeiten beseitigt. Elektronische Geräte werden wieder schneller werden können.
Schlüsselbegriffe
PETMEM, Transistor, CMOS, Computer, piezoelektrisch, PET-Transistor, Speicherchip, piezoelektronische Transduktion
