Novi tranzistor iz cinkovega oksida za prihodnost umetne inteligence in nosljivih naprav

Proizvajalci čipov se danes soočajo z izjemno zahtevno nalogo. Uporabniki si želijo vse pametnejših naprav s hitrimi funkcijami umetne inteligence, hkrati pa pričakujejo, da bodo ti pripomočki ostali majhni in energijsko varčni. To pomeni, da morajo inženirji v pametne ure, slušalke in kompaktne senzorje stisniti več računske moči, kot so jo pred desetletji premogli celotni računalniki.

Raziskovalna skupina v Južni Koreji verjame, da je našla rešitev za ta »pritisk«. Znanstveniki s politehnične univerze POSTECH (Pohang University of Science and Technology) so namreč razvili polprevodniško napravo, ki lahko samostojno izvaja več operacij hkrati. Ta zasnova bi lahko močno poenostavila prihodnje čipe in hkrati zagotovila višje hitrosti obdelave podatkov za elektroniko, ki jo poganja umetna inteligenca.

Projekt se je osredotočil na zmanjšanje števila komponent, ki jih zahtevajo sodobni čipi. Večina polprevodniških sistemov računske naloge dejansko porazdeli med številne tranzistorje in vezja. Z napredkom naprav pa ta zapletenost nenehno raste. Profesor Byoung Hun Lee in dr. Jae Hyeon Jun sta vodila raziskovalno skupino, ki je ubrala drugačen pristop. Namesto dodajanja novih delov sta raziskovalca spremenila zasnovo samega tranzistorja, da lahko opravlja več funkcij hkrati.

Ekipa je za izdelavo naprave uporabila cinkov oksid in telur. Oba materiala lahko tvorita tanke polprevodniške plasti pri razmeroma nizkih temperaturah. Ta lastnost proizvajalcem omogoča večjo prilagodljivost pri nameščanju dodatnih vezij na obstoječe čipe. Poleg tega novi tranzistor deluje drugače kot običajne polprevodniške naprave.

V večini čipov električni tok enakomerno narašča z naraščanjem napetosti. Naprava s tehnološke univerze POSTECH pa temu vzorcu ne sledi. Raziskovalci so tranzistor zasnovali tako, da ustvari negativno diferencialno transkonduktanco (NDT). V tem stanju tok začasno upade, čeprav napetost še naprej raste. Ekipa je nato dosegla učinek dvojne NDT, kjer se padec toka znotraj iste naprave zgodi dvakrat.

To nenavadno vedenje daje tranzistorju večjo prilagodljivost pri obdelavi signalov. Učinek je odvisen od tega, koliko se plasti cinkovega oksida in telurja znotraj strukture prekrivata. Manjše prekrivanje povzroči en prehod toka. Večje prekrivanje pa ustvari hkratno stransko in navpično gibanje toka. To medsebojno delovanje ustvari dva vrhova toka in tranzistorju omogoča, da samostojno opravlja naprednejše funkcije vezja.

Za prikaz delovanja so raziskovalci izdelali četverni multiplikator frekvence. To vezje pretvori en dohodni signal v štiri izhodne signale. Tradicionalne polprevodniške postavitve običajno potrebujejo več tranzistorjev za izvedbo te operacije. Južnokorejska zasnova je nalogo opravila z enim samim tranzistorjem. Raziskovalci so poudarili, da je ta pristop zmanjšal potrebo po tranzistorjih za 75 odstotkov. Testiranje vezja je pokazalo tudi, da so se hitrosti obdelave podatkov med enim samim signalnim ciklom povečale za štirikrat.