پژوهشگران چینی در دانشگاه پکن موفق شده اند نوعی ترانزیستور بدون سیلیکون بسازند که اگر وارد تولید انبوه شود، ممکن است مسیر صنعت پردازنده ها را به کلی تغییر دهد. آن ها از ماده ای دو بعدی به نام بیسموت اکسی سلناید استفاده کرده اند. این ماده جایگزین سیلیکون شده و پایه اصلی این ترانزیستور جدید است.
معماری تازه ای که عملکرد را چند برابر می کند
طراحی این ترانزیستور از نوع GAAFET است. در این معماری، گیت به طور کامل اطراف منبع ترانزیستور را می پوشاند. این در حالی است که در طراحی های فعلی مانند FinFET، گیت فقط بخشی از ترانزیستور را در بر می گیرد. این تفاوت باعث می شود تماس میان گیت و کانال بیشتر شده و در نتیجه، کنترل جریان بهتر انجام شود و مصرف انرژی نیز کاهش یابد.
پژوهشگران اعلام کرده اند که این معماری جدید، نه تنها مصرف انرژی را کمتر می کند، بلکه باعث افزایش سرعت قابل توجهی نیز می شود. به گفته آن ها، این ترانزیستور جدید تا 40 درصد سریع تر از چیپ های 3 نانومتری اینتل عمل می کند و در عین حال، 10 درصد برق کمتری مصرف می کند. این عددها اگر دقیق باشند، حتی از قوی ترین پردازنده های شرکت هایی مانند سامسونگ و TSMC هم بهتر است.
آیا دوران سیلیکون رو به پایان است؟
در مقاله ای که در مجله Nature Materials منتشر شده، اشاره شده که این ترانزیستورهای دو بعدی می توانند به طور کامل با نمونه های سیلیکونی رقابت کنند. یکی از نقاط ضعف طراحی های فعلی این است که چون گیت فقط بخشی از کانال را پوشش می دهد، هم نشت انرژی افزایش پیدا می کند و هم کنترل جریان دقیق نیست.
اما در طراحی تازه، گیت به طور کامل کانال را در بر گرفته و همین موضوع باعث شده تا مصرف انرژی به طرز چشمگیری کاهش یابد و بهره وری به اوج برسد. حتی تیم تحقیقاتی با همین ترانزیستورها، موفق شده واحدهای منطقی کوچکی هم بسازد که نشان می دهد این فناوری فقط روی کاغذ نیست و در عمل هم کارایی دارد.
پروفسور پنگ هایلین که سرپرست این پروژه بوده، گفته: اگر نوآوری های موجود در صنعت تراشه مثل میانبر باشند، ما در واقع مسیر را عوض کرده ایم. به جای اینکه مسیر فعلی را ادامه بدهیم، یک مسیر تازه را شروع کردیم.
طراحی جدید شباهتی به سازه های عمودی مثل FinFET ندارد. ساختار آن بیشتر شبیه پل های درهم تنیده است. همین موضوع باعث شده تا بتواند محدودیت های مربوط به کوچک سازی در فناوری های مبتنی بر سیلیکون را برطرف کند. به همین دلیل این معماری ممکن است در آینده برای ساخت لپ تاپ های بسیار سریع که نیاز به تراشه های فشرده دارند، بسیار کاربردی شود.
تیم تحقیقاتی از دو ماده جدید بر پایه بیسموت استفاده کرده است. یکی به نام Bi₂O₂Se برای نیمه هادی و دیگری Bi₂SeO₅ به عنوان دی الکتریک گیت.
این دو ماده ویژگی خاصی دارند. انرژی سطحی آن ها کم است و همین ویژگی باعث می شود تا عیب های ساختاری کمتر باشد و الکترون ها با مانع کمتری حرکت کنند. پروفسور پنگ این موضوع را این طور توضیح می دهد: حرکت الکترون ها در این ماده مثل جریان آب در یک لوله صاف است، بدون هیچ مانعی.
فناوری قابل ساخت با تجهیزات فعلی
این ترانزیستورها با استفاده از محاسبات نظری بر پایه روش DFT تحلیل شده اند و سپس در شرایط واقعی هم آزمایش شده اند. برای ساخت آن ها از تجهیزات بسیار دقیق در دانشگاه پکن استفاده شده است. نکته مهم اینجاست که این ترانزیستورها را می توان با همان زیرساخت های موجود در صنعت تراشه سازی ساخت. بنابراین اگر تولید انبوه آن شروع شود، نیاز به سرمایه گذاری بزرگ برای تغییر خطوط تولید نیست.
دانشمندان چینی ادعا می کنند که این ترانزیستور جدید، سریع ترین و کم مصرف ترین نوعی است که تا به حال ساخته شده است. اگر این ادعاها در مراحل بعدی نیز تایید شود، احتمالا دوران سیلیکون به پایان نزدیک شده و فصل جدیدی در ساخت پردازنده ها آغاز خواهد شد.
در سال های اخیر، رقابت بر سر ساخت ترانزیستورهای پیشرفته به نقطه حساسی رسیده است. این فناوری جدید اگر به مرحله تجاری برسد، نه تنها جایگاه چین در این صنعت را تقویت می کند، بلکه می تواند معادلات جهانی تراشه ها را به کلی تغییر دهد.
