Wissenschaft & Technik

Aus Kristallen hergestellt, könnten Computer dabei helfen, mit weniger Energie zu arbeiten

Computer können kleiner und leistungsfähiger werden, aber sie brauchen viel Energie, um zu funktionieren. Die Gesamtmenge an Energie, die die Vereinigten Staaten für Computer ausgeben, ist in den letzten zehn Jahren dramatisch gestiegen und nähert sich schnell der anderer wichtiger Sektoren, wie z. B. dem Transportwesen.

In einer Studie, die diese Woche online in der Zeitschrift Nature der University of California, Berkeley, veröffentlicht wurde, beschreiben Ingenieure einen wichtigen Durchbruch im Design eines Transistorelements – der winzigen elektrischen Schalter, aus denen Computerkomponenten bestehen – die den Energieverbrauch erheblich senken könnten, ohne die Geschwindigkeit zu beeinträchtigen , Größe oder Effizienz. Die als Gate-Oxid bezeichnete Komponente spielt eine Schlüsselrolle beim Ein- und Ausschalten des Transistors.

„Wir konnten zeigen, dass unsere Oxid-Gate-Technologie besser ist als handelsübliche Transistoren: Was die Multimilliarden-Dollar-Halbleiterindustrie heute kann – wir können sie tatsächlich schlagen“, sagte Sayeef Salahuddin, Hauptautor der Studie TSMC in Elektrotechnik und Informatik an der UC Berkeley.

Diese Effizienzsteigerung wird durch ein Phänomen namens negative Kapazität ermöglicht, das dazu beiträgt, die zum Speichern von Last auf einem Material erforderliche Spannungsmenge zu reduzieren. Salahuddin sagte 2008 theoretisch die Existenz negativer Kapazität voraus und zeigte erstmals 2011 die Wirkung auf einen Eisenkristall.

Eine neue Studie zeigt, wie eine negative Kapazität in einem hergestellten Kristall erreicht werden kann, der aus einem geschichteten Stapel aus Hafniumoxid und Zirkoniumoxid besteht, der direkt mit fortschrittlichen Siliziumtransistoren kompatibel ist. Durch die Integration des Materials in Modelltransistoren zeigt die Studie, wie der negative Effekt der Kapazität die zur Steuerung von Transistoren erforderliche Spannung und damit den Stromverbrauch eines Computers erheblich reduzieren kann.

„In den letzten 10 Jahren ist die für Computer verbrauchte Energie exponentiell gestiegen und stellt bereits einen einstelligen Prozentsatz der globalen Energieproduktion dar, die nur linear wächst, ohne sichtbares Ende“, sagte Salahuddin. „Normalerweise denken wir bei der Nutzung unserer Computer und Mobiltelefone nicht darüber nach, wie viel Energie wir verbrauchen. Aber es ist eine riesige Menge, und sie wird nur noch zunehmen. „Unser Ziel ist es, den Energiebedarf dieser Schlüsselkomponente der Informationstechnologie zu reduzieren, denn das reduziert den Energiebedarf des gesamten Systems.“

Negative Kapazität in reale Technologie bringen

Modernste Laptops und Smartphones enthalten zig Milliarden winziger Siliziumtransistoren, von denen jeder durch Anlegen einer Spannung gesteuert werden muss. Das Gate-Oxid ist eine dünne Materialschicht, die die angelegte Spannung in eine elektrische Ladung umwandelt, die dann den Transistor verändert.

Eine negative Kapazität kann die Effizienz des Gate-Oxids erhöhen, indem die zum Erreichen einer gegebenen elektrischen Ladung erforderliche Spannungsmenge reduziert wird. Aber das Ergebnis kann nicht in jedem Material erreicht werden. Das Erzeugen einer negativen Kapazität erfordert einen sorgfältigen Umgang mit einer Materialeigenschaft namens Elektronegativität, die auftritt, wenn ein Material ein spontanes elektrisches Feld aufweist. Bisher wurde das Ergebnis nur bei eisenhaltigen Materialien, sogenannten Perowskiten, erzielt, deren Kristallstruktur nicht mit Silizium kompatibel ist.

In der Studie zeigte das Team, dass eine negative Kapazität auch durch die Kombination von Hafniumoxid und Zirkoniumoxid zu einer strukturierten Kristallstruktur, die als Gitter bezeichnet wird, erreicht werden kann, was sowohl zu eisenhaltiger als auch zu eisenhaltiger Elektrizität führt.

„Wir haben festgestellt, dass diese Kombination uns tatsächlich einen noch besseren negativen Kapazitätseffekt verleiht, was zeigt, dass diese negativen Kapazitätsphänomene viel breiter sind, als wir ursprünglich dachten“, sagte der Co-Autor der Studie, Suraj Cheema, ein Postdoktorand an der UC Berkeley. „Negative Kapazität erscheint nicht nur im konventionellen Bild eines Ferroelektrikums mit einem Dielektrikum, das in den letzten zehn Jahren untersucht wurde. Sie können das Ergebnis wirklich noch stärker machen, indem Sie diese Kristallstrukturen so gestalten, dass sie die Vorteile von Antieisenelektrizität in Kombination mit Eisenelektrizität nutzen.

Die Forscher fanden heraus, dass eine Gitterstruktur aus drei atomaren Zirkoniumoxidschichten, die zwischen zwei einzelnen atomaren Oxidschichten mit einer Gesamtdicke von weniger als zwei Nanometern angeordnet sind, das beste negative Kapazitätsergebnis lieferte. Da die meisten modernen Siliziumtransistoren bereits ein 2-Nanometer-Gateoxid verwenden, das aus Hafniumoxid über Siliziumdioxid besteht, und da Zirkonoxid auch in Siliziumtechnologien verwendet wird, können diese Supergrid-Strukturen leicht in das Gitter integriert werden.

Um zu testen, wie gut die Gitterstruktur als Gate-Oxid funktionieren würde, baute das Team Transistoren mit kleinem Kanal und testete ihre Fähigkeiten. Diese Transistoren würden im Vergleich zu bestehenden Transistoren etwa 30 % weniger Spannung benötigen und dabei die Benchmarks der Halbleiterindustrie einhalten, ohne an Zuverlässigkeit einzubüßen.

„Eines der Probleme, die wir bei dieser Art von Forschung oft sehen, ist, dass wir verschiedene Phänomene in Materialien zeigen können, aber diese Materialien nicht mit fortschrittlichen Computermaterialien kompatibel sind und wir daher keine Vorteile aus echter Technologie ziehen können“, sagte er Salahuddin. er sagte. “Diese Arbeit wandelt eine negative Kapazität aus einem akademischen Fach in etwas um, das tatsächlich in einem fortschrittlichen Transistor verwendet werden könnte.”

Nirmaan Shanker von der UC Berkeley ist auch der Erstautor dieser Studie. Weitere Co-Autoren sind Li-Chen Wang, Cheng-Hsiang Hsu, Shang-Lin Hsu, Yu-Hung Liao, Wenshen Li, Jong-Ho Bae, Steve K. Volkman, Daewoong Kwon, Yoonsoo Rho, Costas P. Grigoropoulos, Ramamoorthy Ramesh und Chenming Hu von der UC Berkeley. Matthew San Jose, Jorge Gomez, Wriddhi Chakraborty, Patrick Fay und Suman Datta von der University of Notre Dame. Gianni Pinelli, Ravi Rastogi, Dominick Pipitone, Corey Stull, Matthew Cook, Brian Tyrrell und Mohamed Mohamed vom Lincoln Laboratory des Massachusetts Institute of Technology. Vladimir A. Stoica von der Pennsylvania State University. Zhan Zhang und John W. Freeland vom Argonne National Laboratory. Christopher J. Tassone und Apurva Mehta vom SLAC National Accelerator Laboratory. Ghazal Saheli und David Thompson von Applied Materials. Dong Ik Suh und Won-Tae Koo von SK Hynix. Kab-Jin Nam, Dong Jin Jung, Woo-Bin Song, Seunggeol Nam und Jinseong Heo von Samsung Electronics. Chung-Hsun Lin von der Intel Corporation, Narendra Pariha und Souvik Mahapatra vom Indian Institute of Technology. und Padraic Shafer und Jim Ciston vom Lawrence Berkeley National Laboratory.

Diese Forschung wurde teilweise vom Berkeley Center for Negative Capacity Transistors (BCNCT), DARPA Technologies for Mixed-Mode Ultra Scaled Integrated Circuits (T-MUSIC) und den Multicampus Research Programs and Initiatives der University of California (UC MRPI) unterstützt. und das US Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, Department of Materials Science and Engineering unter Vertragsnr. DE-AC02-05-CH11231 (Microelectronics Co-Design Program).

Prüfbericht:

  1. Suraj S. Cheema, Nirmaan Shanker, Li-Chen Wang, Cheng-Hsiang Hsu, Shang-Lin Hsu, Yu-Hung Liao, Matthew San Jose, Jorge Gomez, Wriddhi Chakraborty, Wenshen Li, Jong-Ho Bae, Steve K. Volkman , Daewoong Kwon, Yoonsoo Rho, Gianni Pinelli, Ravi Rastogi, Dominick Pipitone, Corey Stull, Matthew Cook, Brian Tyrrell, Vladimir A. Stoica, Zhan Zhang, John W. Freeland, Christopher J. Tassone, Apurva Mehta, Ghazal Saheli, David Thompson, Dong Ik Suh, Won-Tae Koo, Kab-Jin Nam, Dong Jin Jung, Woo-Bin Song, Chung-Hsun Lin, Seunggeol Nam, Jinseong Heo, Narendra Parihar, Κώστας P. Γρηγορόπουλος, Padraic Shafer, Patrick Fay, Ramamoorthy Ramesh, Souvik Mahapatra, Jim Ciston, Suman Datta, Mohamed Mohamed, Chenming Hu, Sayeef Salahuddin. Ultradünner Eisenstapel aus HfO2 – ZrO2-Supergate-Gateway für fortschrittliche Transistoren. Natur, 2022; 604 (7904): 65 DOI: 10.1038 / s41586-022-04425-6
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