Нови материали могат да повишат енергийната ефективност в микроелектрониката

20.01.2026   |   Начало»Технологии

Редактор
Мира Станкова

Редактор
Мира Станкова

Изследователи от Масачузетския технологичен институт (MIT) съобщиха, че са разработили нов метод, който може да позволи производството на по-енергийноефективна електроника чрез подреждането на множество функционални компоненти върху една съществуваща схема.

В традиционните електронни схеми логическите компоненти, които извършват изчисленията, като транзисторите, и паметите, които съхраняват данните, се изграждат като отделни компоненти, което налага данните да пътуват напред-назад между тях, при което се хаби енергия. Новата платформа за интегриране на електроника на изследователите от MIT позволява производството на транзистори и памети в един компактен стек върху полупроводников чип. Това елиминира в значителна степен загубата на енергия, като същевременно увеличава скоростта на изчисленията.

Ключът към този напредък е наскоро създаден материал с уникални свойства и по-прецизен производствен подход, който намалява броя на дефектите в материала. Те позволяват на изследователите да правят изключително тънки транзистори с вградена памет, които могат да работят по-бързо от съвременните прибори при по-ниска енергийна консумация от подобни транзистори.

Чрез подобряване на енергийната ефективност на електронните устройства, този нов подход би могъл да помогне за намаляване на нарастващата консумация на електроенергия от изчислителните процеси, особено за взискателни приложения като генеративен изкуствен интелект, дълбоко самообучение и задачи, свързани с компютърно зрение.

"В бъдеще трябва да намалим количеството енергия, което използваме за изкуствен интелект и други изчисления, фокусирани върху данни, защото това просто не е устойчиво. Ще ни трябват нови технологии като тази платформа за интеграция, за да продължим този напредък", казва Янджи Шао, постдокторант в MIT и водещ автор на две статии за тези нови транзистори.

Решението на проблема

Стандартните CMOS чипове традиционно имат т. нар front-end, където се изработват активните компоненти, като транзистори и кондензатори, и back-end, който включва конектори и други метални връзки, свързващи компонентите на чипа. Когато данните преминават по тези връзки, обаче се губи известно количество енергия, а леки разминавания могат да повлияят на производителността. Подреждането на активните компоненти би намалило разстоянието, което данните трябва да изминат, и би подобрило енергийната ефективност на чипа, посочват изследователите.

Обикновено подреждането на силициеви транзистори върху CMOS чип е трудно, защото високата температура, необходима за производството на допълнителни елементи във front-end  зоната, би унищожила съществуващите транзистори отдолу. Изследователите от MIT смятат, че решението е тази нова техника за интеграция, която позволява да се подредят активни компоненти в back-end зоната на чипа. Това става възможно с помощта на нов материал – аморфен индиев оксид, използван като активен канален слой на back-end транзистора. Активният канален слой е мястото, където се реализират основните функции на транзистора.

Благодарение на уникалните свойства на индиевия оксид изследователите успяват да "отгледат" изключително тънък слой от този материал при температура от само около 150°C в back-end зоната на съществуващата схема, без да се поврежда компонентът във front-end  зоната. Изследователите оптимизират производствения процес, което минимизира броя на дефектите в слоя индиев оксид с дебелина от само около 2 нанометра.

Подобряване на процеса

Необходими са няколко дефекта, известни като "кислородни ваканции", за да може да се включи транзисторът, но при наличие на твърде много дефекти компонентът няма да работи правилно. Този оптимизиран производствен процес позволява на изследователите да произведат изключително малък транзистор, който работи бързо и чисто, значително редуцирайки допълнителната енергия, необходима за включване и изключване.

Надграждайки този подход, изследователите изработват и back-end транзистори с интегрирана памет и размер от само около 20 нанометра. За тази цел те добавят слой от материал, наречен фероелектричен хафний-циркониев оксид, като компонент на паметта. Тези компактни транзистори с памет демонстрират скорости на превключване от само 10 наносекунди, достигайки границата на измервателните средства. Това превключване също така изисква много по-ниско напрежение от подобни полупроводникови прибори, намалявайки консумацията на електроенергия.

Тъй като транзисторите с памет са много малки, изследователите могат да ги използват като платформа за изучаване на фундаменталната физика на отделни елементи от фероелектричен хафний-циркониев оксид.

"Ако можем да разберем по-добре физиката, можем да използваме този материал за много нови приложения. Енергията, която използва, е минимална и ни дава голяма гъвкавост в проектирането на устройства. Това наистина би могло да отвори много нови възможности в бъдеще", казва Шао.

Изследователите също така работят с екип от Университета на Ватерло, за да разработят модел на производителността на back-end транзисторите, което е важна стъпка, преди тези прибори да могат да бъдат интегрирани в по-големи схеми и електронни системи.

В бъдеще те искат да надградят тези демонстрации, като интегрират back-end транзисторите с памет в една схема. Те също така искат да подобрят производителността на транзисторите и да проучат как по-фино да контролират свойствата на фероелектричния хафний-циркониев оксид.

Ключови думи: MIT   транзистори   памети  

Област: Електроника