Bóng bán dẫn vừa xử lý và vừa lưu trữ thông tin

Thông thường, chip máy tính xử lý và lưu trữ thông tin bằng hai thiết bị khác nhau. Nếu các kỹ sư có thể kết hợp các thiết bị này thành một hoặc đặt chúng cạnh nhau, thì sẽ có nhiều không gian hơn trên chip, giúp nó hoạt động nhanh và hiệu quả hơn.

Các kỹ sư tại trường Đại học Purdue, Mỹ đã đưa tìm ra phương pháp sử dụng hàng triệu công tắc nhỏ (gọi là bóng bán dẫn) để xử lý thông tin cũng như có khả năng lưu trữ thông tin đó như một thiết bị. Phương pháp mới được công bố trên tạp chí Nature Electronics, được triển khai thông qua giải quyết một vấn đề khác: kết hợp bóng bán dẫn với công nghệ bộ nhớ hiệu suất cao hơn so với công nghệ được sử dụng trong hầu hết các máy tính, được gọi là RAM sắt.

Trong nhiều thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu đã cố gắng tích hợp cả hai công nghệ, nhưng nhiều vấn đề xảy ra ở giao diện giữa vật liệu sắt điện và silicon, vật liệu bán dẫn tạo nên bóng bán dẫn. Thay vào đó, RAM sắt hoạt động như một đơn vị riêng biệt trên chip, hạn chế tiềm năng của nó trong việc thực hiện tính toán hiệu quả hơn nhiều. Nhóm nghiên cứu tại trường Đại học Purdue đã phát hiện ra cách điều chỉnh mối quan hệ “thù địch” giữa silicon và vật liệu sắt điện.

"Chúng tôi đã sử dụng chất bán dẫn có các tính chất sắt điện. Bằng cách này, hai vật liệu trở thành một và bạn không phải lo ngại các vấn đề về giao diện", Peide Ye, đồng tác giả nghiên cứu cho biết.

Kết quả là bóng bán dẫn hiệu ứng trường bán dẫn sắt điện, được chế tạo giống như các bóng bán dẫn hiện đang được sử dụng trên chip máy tính. Vật liệu alpha indium selenide không chỉ có tính chất sắt điện, mà còn giải quyết vấn đề của vật liệu sắt điện thông thường hoạt động với vai trò một chất cách điện chứ không phải là chất bán dẫn do "khoảng cách dải" rộng, có nghĩa là điện không thể chạy qua và không diễn ra hoạt động tính toán nào. Alpha indium selenide có khoảng cách dải nhỏ hơn nhiều, giúp vật liệu trở thành chất bán dẫn mà không làm mất tính chất sắt điện.

Mengwei Si, nghiên cứu sinh tiến sỹ chuyên ngành kỹ thuật điện và máy tính tại trường Đại học Purdue, đã chế tạo và thử nghiệm bóng bán dẫn và nhận thấy hiệu suất của nó tương đương với các bóng bán dẫn hiệu ứng điện trường hiện có và có thể vượt qua nhờ tối ưu hóa. Sumeet Gupta, phó giáo sư kỹ thuật điện và máy tính tại Đại học Purdue TS. Atanu Saha cung cấp hỗ trợ lập mô hình.

Nhóm nghiên cứu cũng đã phối hợp với các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Georgia để đưa alpha indium selenide vào một không gian trên chip nhằm tăng cường dung lượng của chip.

Trước đây, các nhà nghiên cứu đã không thể làm điều này vì khoảng cách dải rộng làm cho vật liệu quá dày để dòng điện có thể chạy qua. Vì alpha indium selenide có khe hở nhỏ hơn nhiều, độ dày của vật liệu chỉ đạt 10 nanomet, cho phép dòng điện mạnh hơn chạy qua.

Dòng điện mạnh hơn cho phép diện tích thiết bị giảm xuống vài nanomet, khiến cho chip có mật độ dày đặc và tiết kiệm năng lượng hơn. Vật liệu mỏng hơn, thậm chí dày bằng một lớp nguyên tử, sẽ hữu ích cho việc chế tạo các mạch mô phỏng các mạng lưới trong não người.

Theo (NASATI). Nguồn: https://techxplore.com/news/2019-12-chip-transistors.html, 12/2019