Сучасна мікроелектроніка опинилася у своєрідній гонці протиріч. З одного боку, користувачі хочуть дедалі потужніші пристрої з функціями штучного інтелекту. З іншого — ці ж пристрої мають залишатися компактними, енергоефективними та не перегріватися. Саме тому інженери змушені постійно збільшувати складність чипів, додаючи все більше транзисторів і схем.
Але дослідники з Південної Кореї вважають, що цей шлях можна радикально змінити.
Новий підхід до будови транзисторів
Команда вчених з Pohang University of Science and Technology (POSTECH) розробила напівпровідниковий пристрій, який здатний виконувати одразу кілька функцій традиційних електронних схем. Ідея полягає не в тому, щоб додавати нові компоненти, а навпаки — зменшувати їх кількість, перекладаючи більше завдань на один елемент.
Проєкт очолили професор Бйонг Хун Лі та доктор Дже Хьон Джун. Вони запропонували переосмислити саму логіку роботи транзистора, зробивши його багатофункціональним елементом. Результати дослідження опубліковані в журналі «Advanced Functional Materials».
Матеріали, що відкривають нові можливості
Для створення пристрою дослідники використали оксид цинку та телур. Ці матеріали дозволяють формувати тонкі напівпровідникові шари при відносно низьких температурах.
Це критично важливо для сучасного виробництва мікросхем, адже при складанні багатошарових чипів надмірне нагрівання може пошкодити вже створені елементи. Тому матеріали, що працюють при температурі нижче приблизно 200 °C, відкривають нові можливості для багаторівневої інтеграції.
Незвична поведінка електронів
Найцікавіше в новому транзисторі — це його нетипова електрична поведінка. У звичайних напівпровідниках струм зростає разом із напругою. Але у цьому пристрої інженери створили ефект так званої негативної диференціальної провідності (NDT), коли струм тимчасово зменшується навіть при зростанні напруги.
Більше того, дослідникам вдалося реалізувати подвійний ефект NDT — тобто два такі «провали» струму в межах одного транзистора. Це дає змогу значно розширити функціональність пристрою без додаткових компонентів. Ключову роль тут відіграє точне співвідношення шарів оксиду цинку та телуру: їхнє перекриття визначає, як саме рухається електричний струм усередині структури.
Один транзистор замість десятків
Щоб довести ефективність підходу, вчені створили частотний помножувач — пристрій, який перетворює один сигнал на чотири вихідні. У класичних схемах для цього потрібні кілька транзисторів і складна логіка.
У новій архітектурі всю цю роботу виконує один єдиний елемент. За результатами тестів, це дозволило скоротити кількість транзисторів приблизно на 75% і водночас збільшити швидкість обробки сигналу в чотири рази.
Що це означає для майбутнього електроніки
Такий підхід може стати особливо важливим для розвитку компактних пристроїв нового покоління: носимої електроніки, сенсорів, а також спеціалізованих чипів для штучного інтелекту.
Менша кількість компонентів означає менше споживання енергії, менше нагрівання та потенційно нижчу вартість виробництва. Крім того, це відкриває шлях до тривимірної компоновки чипів, де кожен шар може бути максимально функціональним без надмірного ускладнення системи.
Крок до «простішої складності»
Головна ідея роботи корейських дослідників полягає у парадоксі: майбутні чипи можуть стати простішими на рівні компонентів, але значно складнішими на рівні функцій.
Як зазначають автори дослідження, один транзистор тепер може виконувати завдання, для яких раніше потрібні цілі блоки схем. І якщо ця технологія отримає розвиток, то наступне покоління електроніки може змінитися не за рахунок кількості транзисторів, а завдяки їхній «розумності».
