Реконфигурируемая электроника: больше функциональности на меньшей площади чипа

Слева: реконфигурируемый транзистор с элементом управления ElectGrode (G) и программирующим электродом (P) для переключения режима работы.Центр: электрические характеристики транзистора.Справа: одна и та же схема может выполнять различные операции.Кредит: IEEE транзакции на электронных устройствах (2024).Doi: 10.1109/ted.2023.3346361

Даже самая сложная обработка данных на компьютере может быть разбита на небольшие, простые логические шаги: вы можете добавить отдельные биты вместе, вы можете изменить логические состояния, вы можете использовать такие комбинации, как «и« или «или».Такие операции реализованы на компьютере очень специфическими наборами транзисторов.Эти наборы затем образуют большие блоки схемы, которые выполняют более сложные манипуляции с данными.

В будущем, однако, дизайн электронных схем может выглядеть совершенно иначе: в течение многих лет люди думали о возможностях, предлагаемых электронными схемами, которые не выполняют физически фиксированную задачу, но могут быть гибкими переключениями в зависимости от задачи под рукой -Новый вид перепрограммирования, который происходит не на уровне программного обеспечения, а на фундаментальном уровне оборудования: непосредственно на транзисторах, наноразмерные строительные блоки электронных цепей.

Это именно то, чего добилась исследовательская группа в Tu Wien: они разработали интеллектуальные, контролируемые транзисторы и объединили их в схемы, которые могут быть надежно и быстро переключаться между различными задачами.Это означает, что такая же функциональность, что и раньше, может быть размещена на меньшем пространстве чипов.

Это экономит не только производственные затраты, но и энергию, и обеспечивает более высокие скорости вычислений.Исследование опубликовано в IEEE Transactions на электронных устройствах.

«В микроэлектронике мы обычно работаем с полупроводниками, которые преднамеренно загрязнены», - объясняет профессор Уолтер М. Вебер из Института твердотельной электроники в Ту Вине.«Такой материал был бы кремнием, например, в котором включены определенные иностранные атомы. Это известно как допинг».

Эти иностранные атомы либо имеют один электрон больше, чем у атомов вокруг них;В этом случае дополнительный электрон может перемещаться в пределах материала относительно легко.Или у них есть один электрон меньше, и электроны из окружающей среды могут двигаться;В этом случае электрон отсутствует в другом месте вместо электрона, так называемое «отверстие» перемещается через материал: место, где отсутствует электрон.

Как транспорт заряда, перемещающий электроны, так и транспорт заряда за счет перемещения отверстий играют важную роль в микроэлектронике.Допинг определяет, где и в каком направлении может течь и где он не может.Это означает, что функция обычных транзисторов фиксируется во время производства и больше не может быть изменена.Затем поток тока через транзистор переключается «включен» или «Выкл» с использованием управляющего электрода.

Но есть и другой способ: транзисторы, которые были разработаны в Ту Вине в последние годы, больше не содержат никаких легированных материалов вообще.Вместо этого поведение носителей заряда в материале контролируется электрическими полями: электрический заряд вводится в транзистор с помощью дополнительного электрода, который определяет, как должен вести себя транзистор.Это известно как «электростатическое легирование».Это заменяет технически очень сложный и дорогой процесс легирования иностранными атомами.

«В отличие от обычной полупроводниковой технологии, логическая работа определенной схемы не определяется с самого начала. Мы можем перенастроить функцию схемы в соответствии с нашими требованиями», - объясняет доктор Масиар Систани (также Институт твердотельной электроники, Tu Wien)«Например, вы можете сделать схему добавления из двух очень компактных ссылок на XOR, используя нашу технологию. С помощью обычной технологии вам придется производить две разные схемы для этих задач и, следовательно, заняться гораздо большей областью чипов; с нашей технологией,Можно сделать оба “.

Чтобы достичь максимальной гибкости, необходимо было разработать компоненты, которые могут работать либо путем транспортировки электронов, либо путем транспортировки отверстий, по мере необходимости, и при той же коммутационной свойствах, которая была преодолена в Ту Вине.

Это означает, что на той же площади поверхности можно приспособить больше функциональности, и это является решающим параметром для отрасли чипов.«В сегодняшних чипах у вас есть разные блоки, которые могут выполнять очень специфические задачи», - объясняет Лукас Винд (Ph.D. Студент Института твердотельной электроники, Tu Wien).

«Вы должны постоянно отправлять информацию из одного блока в другой. Это требует времени и стоит энергии».Благодаря новой, более гибкой технологии такая же информация может быть обработана эффективно и экономясь в ресурсах в одном месте.

Команда представила первые интеллектуальные, настраиваемые транзисторы в 2021 году. Однако сейчас был сделан решающий шаг: они смогли показать, что все основные логические цепи могут фактически собираться из них и что они могут быть преобразованы в другие схемыПересмотрев компоненты.

Исследовательская группа уже сотрудничает с компаниями из отрасли чипов.«Есть большой интерес», - говорит профессор Уолтер Вебер.«Конечно, это значительный шаг, который не может быть реализован с одного дня до следующего. Но наш подход не требует новых материалов или процессов; мы используем кремний и германия, материалы, которые также используются сегодня».

В течение десятилетий прогресс в микроэлектронике был в основном основан на миниатюризации отдельных компонентов.В последнее время, однако, естественные ограничения были достигнуты не позднее, когда вы опускаетесь до атомного масштаба, дальнейшая миниатюризация больше невозможна.Именно поэтому интеллектуальные, реконфигурируемые компоненты могут быть захватывающим вариантом для интеллектуальных, самообучения или даже нейронных компьютерных систем, которые могут адаптировать свою функцию к профилю требования, чтобы выполнить расчеты как можно быстрее и эффективно энергоэффективно.

Больше информации: Lukas Wind и др., Пересмотренные поля Si-эффект транзисторов с симметричными на государствах, обеспечивающих адаптивную дополнительную и комбинационную логику, транзакции IEEE на электронных устройствах (2024).Doi: 10.1109/ted.2023.3346361