Australische Experten
stellten einen Metall-Luft-Transistor vor, dessen Prinzip dem Betrieb von Vakuumtransistoren ähnelt. Wir sagen Ihnen, was die Essenz der Technologie ist.
/ Foto Marcin Wichary PD / Visualisierung von Moores Gesetz im Paderborn Science Museum / Foto beschnittenWarum eine solche Technologie auftauchte
Es wird angenommen, dass Moores Gesetz seine Relevanz verloren hat. In den letzten Jahren hat die Dichte der Transistoren auf einem Chip
nicht mehr
so schnell zugenommen wie zuvor. Obwohl der Übergang vom technologischen zum technologischen Prozess
immer noch ungefähr doppelt so groß ist, verzögert sich die Entwicklung neuer Methoden zum „Packen“ von Transistoren. Intel verschiebt die Massenfreigabe von 10-nm-Ice-Lake-Prozessoren seit einigen Jahren (
sie sollten nicht früher als 2020 erwartet werden ).
Gleichzeitig führt die Reduzierung der Größe der Komponenten nicht
mehr zu einer signifikanten Steigerung der Produktivität. Insbesondere der Übergang von der 7-nm-TSMC-Prozesstechnologie (die Chips für AMD produziert) zu 5-nm
erhöht die Prozessortaktgeschwindigkeit um nur 15%.
Ein Rückgang der Produktivitätswachstumsraten wirkt sich auf die Geschäftsprozesse von Rechenzentren aus. Das Rechenzentrum muss die Rechenressourcen durch die Erweiterung der Serverflotte erhöhen. Dies führt zu einem Anstieg des Energieverbrauchs im Rechenzentrum, was zu einem Anstieg der Stromkosten führt.
Spezialisten aus der ganzen Welt entwickeln neue Technologien, die das Mooresche Gesetz erweitern und gleichzeitig die Leistung von Prozessoren steigern. Eine solche Technologie ist der Metall-Luft-Transistor, der
von einem Team der Royal Melbourne University of Technology (
RMIT ) entwickelt wurde.
Wie ein Metall-Luft-Transistor funktioniert
Der Transistor hat zwei Metallelektroden, die als Drain und Source dienen. Der Betrieb des Geräts basiert auf den gleichen Prinzipien wie bei Vakuumtransistoren, jedoch mit einem Unterschied: Der neue Transistor arbeitet in Luft.
In einem Metall-Luft-Transistor ist der Abstand zwischen den Elektroden so gering - Drain und Source sind weniger als 35 Nanometer voneinander entfernt -, dass die Gasmoleküle keine Zeit haben, die Partikel zu beeinflussen.
Der Metall-Luft-Transistor ähnelt konstruktionsbedingt den klassischen MOSFET-Halbleiterbauelementen. Der "Austausch" von Elektronen zwischen dem Drain und der Source (die darauf gerichtet sind, das elektrische Feld zu verstärken) erfolgt aufgrund des
Feldemissionseffekts . Nur der Verschluss befindet sich nicht zwischen Drain und Source, sondern unter ihnen. Der Verschluss selbst ist mit einem dünnen Oxidfilm vom System isoliert.
Technologie-Ausblick
Laut Projektmanager Shruti Nirantar wird die Technologie Moores Gesetz „Leben einhauchen“. Damit können Sie 3D-Netzwerke von Transistoren aufbauen. Auf diese Weise können Prozessorentwickler die Miniaturisierung technologischer Prozesse nicht mehr „verfolgen“ und sich auf die Implementierung kompakter 3D-Architekturen konzentrieren. Diese Architekturen ermöglichen es, mehr Transistoren auf dem Chip zu platzieren.
Neue Technologien werden auch die Chipleistung steigern. Experten sind sich sicher, dass die Betriebsfrequenz der Transistoren mehrere hundert Gigahertz betragen wird. Zum Vergleich: Jetzt
beträgt das
Maximum für die Siliziumkomponente 40 GHz. Dies erhöht die Prozessorleistung erheblich und optimiert die Serverparks in Rechenzentren.
/ Foto Robert CC BYFür die Entwicklung der Technologie ist es wichtig, Mittel für weitere Experimente zu finden. Ein Team von Spezialisten muss eine technische Schwierigkeit lösen. Da die Elektroden des Transistors spitz zulaufen, "schmelzen" sie unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes, was ihre Effizienz verringert. Sie hoffen, das Problem in den nächsten zwei Jahren durch Auswahl der optimalen Form der Elektroden zu beheben, die für diesen Effekt weniger anfällig wäre.
Andere Technologien, die das Mooresche Gesetz erweitern sollten
Es gibt andere Entwicklungen, die die Dauer von Moores Gesetz „verlängern“ sollten. Einer von ihnen sind Spin-Transistoren. Ihre Arbeit basiert auf der Bewegung von Elektronenspins. Der Strom in einem solchen System wird aufgrund der Polarisation der Spins und ihrer Anordnung in einer Richtung gebildet.
Solche Bauelemente verbrauchen 10-100-mal weniger Energie als Siliziumtransistoren, und ihre maximale Dichte auf dem Chip ist fünfmal höher. Intel
arbeitet an der Implementierung der Technologie. Das Unternehmen meldet jedoch nicht, wann die Lösung „das Labor verlässt“.
/ Foto Fritzchens Fritz PD / Intel SkylakeEin weiteres Forschungsgebiet ist die Volitronik oder
Valleytronik . Sie schlägt vor, Licht unterschiedlicher Polarisation zu verwenden, um Elektronen in den Maximal- und Minimalwerten des Energieniveaus zu steuern und Informationen zu codieren.
Ein Team von Spezialisten des Lawrence Berkeley National Laboratory hat bereits
ein ähnliches Gerät auf der Basis von Zinnmonosulfid entwickelt. Laut
den Entwicklern wird die Technologie dazu beitragen, hybride photonenelektronische Prozessoren zu entwickeln, die eine höhere Leistung als herkömmliche Geräte aufweisen.
Es ist nicht sicher bekannt, wann all diese Entwicklungen in Rechenzentren oder Gadgets für den Massenverbraucher verwendet werden. Große staatliche Organisationen arbeiten jedoch bereits an einigen Projekten. Beispielsweise beschäftigt sich die NASA
mit einem eigenen Metall-Luft-Transistor, und DARPA
hat ein Zuschussprogramm für Prozessorentwickler
gestartet . Experten gehen davon aus, dass in den nächsten zehn Jahren
möglicherweise neue Lösungen
in großem Umfang angewendet werden .
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