Архитектура для логических вычислений суб-пиковатт, основанных на самообедневаемых дисульфидных транзисторах молибдена

Схематическая диаграмма, оптическое изображение и фундаментальная производительность логических устройств на основе псевдо-CMOS-архитектуры.Кредит: Вей и др.

Непрерывное улучшение схем и электронных компонентов жизненно важно для разработки новых технологий с расширенными возможностями и уникальными характеристиками.В последние годы большинство инженеров по электронике специально сосредоточены на уменьшении размера транзисторов, сохраняя при этом низкое энергопотребление.

Исследователи из Университета науки и технологии Пекин недавно представили новую псевдо-CMOS-архитектуру, основанную на самостоятельно-смеленном молибденовом дисульфидном транзисторах.Эта архитектура, изложенная в Nature Electronics, может быть использована для создания высокопроизводительных инверторов, цепей затвора и других компонентов устройства.

«Разработка интегрированных цепей (ICS) для эффективных вычислений с низкой мощностью является глобальной горячей темой и фокусом международной конкуренции в передовых областях»,-сказал Tech Xplore Чжэн Чжан, соавтор статьи.

«Двумерные (2D) материалы, такие как монослойный дисульфид молибдена (MOS2), имеют стабильные структуры, которые могут прорваться через физический предел размеров, отличных свойств поля и иммунитета к коротким эффектам канала, что делает их одним изНаиболее многообещающие материалы канала для низкомопроводов ».

Несмотря на их выгодную структуру, было обнаружено, что 2D-материалы, выровненные с обычными конструкциями схем на основе кремния (а именно, CMO и NMO), демонстрируют значительные ограничения.В частности, ограниченный контроль полярности их атомно тонкой структуры создает проблемы для реализации их потенциала в конструкциях транзистора.

Чжан и его коллеги решили разработать альтернативную архитектуру псевдо-CMOS для логических вычислений с ультра-низкой силой с использованием двухмерных материалов.Они надеялись открыть новые возможности для развития будущих ICS.

«Наши логические устройства псевдо-CMOS реализуются путем подключения самообучения транзисторов (SBT) в качестве полевых транзисторов нагрузки и N-типа (N-FETS) в качестве драйвера последовательно»,-пояснил Чжан.”Гомогенный SBT с зазором может своевременно отключить текущий путь (менее 1 PA) устройства, когда включен N-FET, что достигает статической мощности на уровне Пикаватта, которая составляет всего около 1% и 0,3% отCMOS и NMOS Logic Device, соответственно ».

Объединив конструкции логики проходов (PTL), было обнаружено, что новая архитектура, представленная исследователями, уменьшает количество транзисторов в цепях на 80% по сравнению с обычными архитектурами IC.В отличие от ранее введенной электроники CMOS и 2D на основе материалов NMOS, архитектура команды обходит контроль полярности транзисторов, значительно снижая их статическую силу.

«Реализация общих логических функций (то есть XOR, и, или, NAND, NOT, а не Gates), основанных на архитектуре псевдо-CMOS, открывает масштабируемый путь к ИКС с низким энергопотреблением на основе двухмерных материалов»,-сказал Чжан.«Наши результаты решают ключевую проблему, что 2D -материалы не могут эффективно сдерживать быстро растущую статическую мощность из -за ограниченной технологии управления полярностью».

Архитектура, представленная Чжаном и его коллегами, может служить вдохновением для других исследовательских групп, что может привести к созданию новой электроники с низким энергопотреблением и быстрыми скоростями работы.Исследователи уже использовали свой дизайн для создания прототиповых инверторов и цепей затвора для логических вычислений суб-пиковатт, которые достигли очень многообещающих результатов.

«В будущей работе мы планируем разработать крупные ICS этой технологии, включая различные сложные комбинированные цепи и последовательные схемы, основанные на псевдо-CMOS Architecture»,-добавил Чжан.«Это может позволить реализации практически любых цифровых ICS для продвижения промышленного применения двухмерных материалов».

Больше информации: Xiaofu Wei и др., Нагруженные гомоперегрузкой инверторы на основе самообедо, дисульфидных транзисторов молибденов для подзыпиковатт-вычислений, природа электроники (2024).Doi: 10.1038/s41928-023-01112-w