За пределами 1 и 0

Компьютеры и аналогичные электронные устройства стали быстрее и меньше за десятилетия, так как производители компьютерных микросхем научились уменьшать отдельные транзисторы.

Погоня ученых за наименьший из возможных транзисторов позволила упаковывать большее количество из них в каждый чип. Но эта гонка почти закончена: исследователи быстро приближаются к физическому минимуму для размера транзистора, с недавними моделями до приблизительно 10 нанометров - или только 30 атомов - в ширину.

«Мощность обработки электронных устройств исходит от сотен миллионов или миллиардов транзисторов, которые соединены в единый компьютерный чип, - сказал доктор Кенджо Чо (Kyeongjae Cho), профессор материаловедения и инженерии в Техасском университете (UT) в Далласе. - Но мы быстро приближаемся к нижним пределам масштаба».

Чтобы расширить поиски более быстрой скорости обработки, индустрия микроэлектроники ищет альтернативные технологии. Исследование д-ра Чо, опубликованное онлайн в журнале Nature Communications, может предложить решение путем расширения словарного запаса транзистора.

Обычные транзисторы могут передавать только два бита информации: являясь переключателем, транзистор либо включен, либо выключен, что дает 1 и 0 двоичного алфавита.

Одним из способов увеличения производительности обработки без добавления дополнительных транзисторов было бы увеличение объема информации, передаваемой каждым транзистором, путем введения промежуточных состояний между состояниями включения и выключения двоичных устройств. Основанный на этом принципе так называемый многозначный логический транзистор позволил бы обрабатывать больше операций и большее количество информации в одном устройстве.

«Концепция многозначных логических транзисторов не нова, и было много попыток сделать такие устройства, - сказал д-р Чо. - Мы сделали это».

С помощью теории, дизайна и моделирования группа Чо в UT в Далласе разработала фундаментальную физику многозначного логического транзистора на основе оксида цинка. Их сотрудники в Южной Корее успешно изготовили и оценили характеристики прототипа устройства.

Устройство Чо способно к двум электрически стабильным и надежным промежуточным состояниям между 0 и 1, увеличивая число логических значений на транзистор с двух до трех или четырех.

Д-р Чо сказал, что новое исследование является важным не только потому, что технология совместима с существующими конфигурациями компьютерных чипов, но также и потому, что оно может преодолеть разрыв между современными компьютерами и квантовыми компьютерами, что является потенциальной следующей вехой в мощности вычислений.

В то время как обычный компьютер использует точные значения 1 и 0 для выполнения вычислений, основные логические единицы квантового компьютера являются более размытыми, причем значения могут существовать в виде комбинации 1 и 0 одновременно или быть любыми между ними. Несмотря на то, что коммерческие квантовые компьютеры еще предстоит реализовать, теоретически они способны хранить больше информации и решать определенные проблемы гораздо быстрее, чем современные компьютеры.

«Устройство, включающее многоуровневую логику, будет быстрее, чем обычный компьютер, поскольку оно будет работать не только с двоичными логическими значениями. С квантовыми величинами у вас есть непрерывные значения, - сказал Чо. - Транзистор - очень зрелая технология, и квантовые компьютеры еще далеко не готовы к коммерциализации. Существует огромный разрыв. Итак, как нам перейти от одного к другому? Нам нужен какой-то эволюционный путь, технология соединения между двоичными и бесконечными степенями свободы. Наша работа по-прежнему основана на технологии существующих устройств, поэтому не такой революционная, как квантовые вычисления, но она развивается в этом направлении».

Технология, которую д-р Чо и его коллеги разработали, использует новую конфигурацию двух форм оксида цинка, объединенных для формирования композитного нанослоя, который затем объединяется со слоями других материалов в сверхрешетку.

Исследователи обнаружили, что они могут достичь физики, необходимой для многозначной логики, встраивая кристаллы оксида цинка, называемые квантовыми точками, в аморфный оксид цинка. Атомы, составляющие аморфное твердое вещество, не так жестко упорядочены, как в кристаллических твердых телах.

«Создавая этот материал, мы обнаружили, что можем создать новую электронную структуру, которая обеспечит такое многоуровневое логическое поведение, - сказал д-р Чо, подавший заявку на патент. - Оксид цинка - это хорошо известный материал, который имеет тенденцию образовывать как кристаллические, так и аморфные твердые вещества, поэтому с самого начала это был очевидный выбор, но это может быть не самый лучший материал. Нашим следующим шагом будет рассмотрение того, насколько универсальным является такое поведение. среди других материалов, поскольку мы пытаемся оптимизировать технологию. Двигаясь вперед, нужно также посмотреть, как мы можем связать эту технологию с квантовым устройством».