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Reorganizando um chip de computador: Os transistores agora podem processar e armazenar informações

Um chip de computador processa e armazena informações usando dois dispositivos diferentes. Se os engenheiros pudessem combinar esses dispositivos em um ou colocá-los um ao lado do outro, haveria mais espaço no chip, tornando-o mais rápido e mais poderoso.

Os engenheiros da Universidade Purdue desenvolveram uma maneira que os milhões de minúsculos comutadores usados ​​para processar informações – chamados transistores – também podiam armazenar essas informações como um único dispositivo.

O método, detalhado em um artigo publicado na Nature Electronics , consegue isso resolvendo outro problema: combinar um transistor com uma tecnologia de memória com desempenho superior ao usado na maioria dos computadores, chamado RAM ferroelétrica.

Os pesquisadores tentam, há décadas, integrar os dois, mas ocorrem problemas na interface entre um material ferroelétrico e o silício, o material semicondutor que compõe os transistores. Em vez disso, a RAM ferroelétrica opera como uma unidade separada no chip, limitando seu potencial para tornar a computação muito mais eficiente.

Uma equipe liderada por Peide Ye, o professor Richard J. e Mary Jo Schwartz de Engenharia Elétrica e de Computadores da Purdue, descobriu como superar a relação do inimigo mortal entre o silício e um material ferroelétrico.

“Usamos um semicondutor com propriedades ferroelétricas. Dessa forma, dois materiais se tornam um material e você não precisa se preocupar com os problemas de interface”, disse Ye.

O resultado é o chamado transistor de efeito de campo semicondutor ferroelétrico, construído da mesma maneira que os transistores atualmente usados ​​em chips de computador.

O material, alfa-índio-seleneto, não apenas possui propriedades ferroelétricas, mas também aborda a questão de um material ferroelétrico convencional que geralmente age como um isolador, e não como um semicondutor, devido ao chamado ” intervalo de banda ” amplo , o que significa que a eletricidade não pode passar através e nenhuma computação acontece.

O seleneto de alfa-índio possui uma folga de banda muito menor, possibilitando que o material seja um semicondutor sem perder propriedades ferroelétricas.

Mengwei Si, pesquisador de pós-doutorado em engenharia elétrica e de computadores da Purdue , construiu e testou o transistor, descobrindo que seu desempenho era comparável aos transistores de efeito de campo ferroelétrico existentes e poderia excedê-los com mais otimização. Sumeet Gupta, professor assistente de Purdue de engenharia elétrica e de computadores , e Ph.D. o candidato Atanu Saha forneceu suporte à modelagem.

A equipe de Si e Ye também trabalhou com pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia para transformar o seleneto de alfa-índio no espaço de um chip, chamado de junção de tunelamento ferroelétrico, que os engenheiros poderiam usar para aprimorar as capacidades de um chip. A equipe apresenta esse trabalho em 9 de dezembro na Reunião Internacional IEEE de Dispositivos Eletrônicos de 2019 .

No passado, os pesquisadores não tinham sido capazes de construir uma junção de tunelamento ferroelétrico de alto desempenho, porque sua ampla faixa de banda tornava o material muito espesso para a corrente elétrica passar. Como o seleneto de alfa-índio possui uma folga de banda muito menor, o material pode ter apenas 10 nanômetros de espessura, permitindo que mais corrente flua através dele.

Mais corrente permite que uma área de dispositivos diminua para vários nanômetros, tornando os chips mais densos e eficientes em termos de energia, disse Ye. Um material mais fino – até uma camada atômica grossa – também significa que os eletrodos de ambos os lados de uma junção de túnel podem ser muito menores, o que seria útil para a construção de circuitos que imitam redes no cérebro humano.