Małe urządzenie piezoelektroniczne przyspiesza pracę układów CMOS
Użytkownicy komputerów przyzwyczaili się do tego, że każda nowa generacja chipów jest szybsza niż poprzednia. Ten wzrost prędkości wynika ze zmniejszenia rozmiarów układów pamięci CMOS (wykonanych w technologii metal-tlenek-półprzewodnik), będących podstawowymi elementami wszystkich komputerów i urządzeń komputerowych. Wraz z redukcją rozmiarów maleje również napięcie, co pozwala na szybsze przełączanie tranzystorów. Jednak poniżej pewnej wielkości zaczynają występować efekty kwantowe, a układy CMOS stają się coraz bardziej nieefektywne energetycznie. Wzrost prędkości wymagałby zatem większej ilości energii elektrycznej, przez co urządzenia byłyby drogie w eksploatacji. Z tego względu wykładniczy wzrost prędkości procesorów, który był wyznacznikiem całej ery mikroprocesorów, zakończył się około 2003 roku. Od tego czasu obserwowany wzrost wydajności wynika ze zwiększania gęstości tranzystorów oraz stosowania wielu rdzeni procesorów, a nie z rzeczywistego zwiększenia prędkości. Przemysł elektroniczny potrzebuje nowej technologii tranzystorowej CMOS, a uczestnicy finansowanego przez UE projektu PETMEM (Piezoelectronic Transduction Memory Device) podjęli się jej opracowania. Powstały w ten sposób alternatywy układ, zwany tranzystorem opartym na transdukcji piezoelektronicznej (ang. „piezoelectronic transduction”, PET), ma być szybszy i bardziej energooszczędny niż konwencjonalne tranzystory CMOS.
Nowy tranzystor
Tranzystor PET to nowy typ przełącznika elektronicznego, którego działanie wykorzystuje zjawisko piezoelektryczne. Zasadniczo polega to na tym, że materiał wytwarza energię elektryczną pod wpływem naprężeń mechanicznych – i odwrotnie, przyłożenie energii elektrycznej do materiału powoduje zmianę jego kształtu, wywołując efekt mechaniczny. Tranzystor PET wykorzystuje ten efekt zachodzący w obu kierunkach dzięki zastosowaniu dwóch połączonych ze sobą materiałów. Urządzenie przetwarza sygnał elektroniczny w falę dźwiękową (falę ciśnienia). Ciśnienie ściska materiał piezorezystancyjny, a naprężenie to powoduje włączanie i wyłączanie oporu elektrycznego materiału. Gdy spojrzymy na urządzenie jako całość, podłączenie lub odłączenie napięcia aktywuje przełącznik. Ilość potrzebnego napięcia zależy od piezoelektrycznych właściwości materiałów. Niektóre materiały opracowane w ostatnich latach potrzebują bardzo niskiego napięcia, a niskie napięcie oznacza wysoką prędkość przełączania. Jak wyjaśnia koordynator projektu Nick Chadwick: „Jeśli połączymy cały warstwowy układ i zmniejszymy wszystkie wymiary, możemy zbudować maleńki, 100-nanometrowy przełącznik elektroniczny”.
Wysokowydajne przełączanie
Tak mały tranzystor powinien przełączać się 10 miliardów razy na sekundę. W efekcie, po kolejnej fazie prac nad rozwojem technologii, udałoby się uzyskać urządzenia 10 GHz. Pierwszymi odbiorcami będą prawdopodobnie klienci z sektora telekomunikacyjnego, ponieważ mobilne urządzenia komunikacyjne potrzebują szybkich, energooszczędnych przełączników, aby móc w pełni wykorzystać potencjał sieci 5G. Technologia PET może zapewnić im niezbędną wydajność. W dłuższej perspektywie, chipy komputerowe potrzebują bardzo małej mocy pamięci procesora, którą także byłaby w stanie zapewnić technologia PET. „Na początku brakowało nam zaplecza produkcyjnego, dopracowanego przepływu procesów oraz narzędzi do testowania. Musieliśmy je więc najpierw stworzyć, a dopiero potem zajęliśmy się opracowywaniem tranzystora PET”, twierdzi Chadwick. Zespół przewiduje, że pierwsze działające tranzystory demonstracyjne będą gotowe w 2020 roku. Po ukończeniu prototypów zespół będzie mógł przystąpić do pełnej oceny komercyjnej pod kątem zastosowania technologii w telefonii komórkowej. Następnie przeanalizowane zostaną możliwości współpracy z większymi laboratoriami oraz możliwości pozyskania środków finansowych, które pozwolą na wspólne rozwijanie technologii. Dzięki projektowi PETMEM i opracowanemu w jego ramach urządzeniu CMOS wyeliminowana zostanie przeszkoda utrudniająca zwiększenie prędkości chipów, a urządzenia elektroniczne znowu przyspieszą.
Słowa kluczowe
PETMEM, tranzystor, CMOS, komputer, piezoelektryczny, tranzystor PET, układ pamięci, transdukcja piezoelektroniczna