Jeden tranzistor místo čtyř: Jihokorejští vědci zjednodušili čipy pro AI a nositelnou elektroniku

Výrobci čipů se potýkají s náročnou výzvou: spotřebitelé požadují chytřejší zařízení s rychlejšími funkcemi umělé inteligence, ale zároveň očekávají, že gadgety zůstanou malé, chladné a energeticky úsporné.

Výrobci čipů se potýkají s náročnou výzvou: spotřebitelé požadují chytřejší zařízení s rychlejšími funkcemi umělé inteligence, ale zároveň očekávají, že gadgety zůstanou malé, chladné a energeticky úsporné. Dnešní inženýři vměstnávají do hodinek, sluchátek a kompaktních senzorů více výpočetního výkonu, než jaký před desítkami let zvládaly celé počítače.

Tým vědců z jihokorejské Pohang University of Science and Technology (POSTECH) nyní věří, že našel způsob, jak tento tlak zmírnit. Vyvinuli polovodičové zařízení, které dokáže samostatně provádět několik obvodových operací. Tento design by mohl zjednodušit budoucí čipy a zároveň zajistit vyšší rychlost zpracování pro elektronikou poháněnou umělou inteligencí.

Projekt se zaměřil na snížení počtu komponent, které moderní čipy vyžadují. Většina polovodičových systémů rozděluje výpočetní úkoly mezi mnoho tranzistorů a obvodů, a s pokročilejšími zařízeními tato složitost neustále roste. Profesor Byoung Hun Lee a Dr. Jae Hyeon Jun vedli výzkumný tým, který místo přidávání dalších komponent přepracoval samotný tranzistor tak, aby zvládal více funkcí současně.

Tým k vytvoření zařízení použil oxid zinečnatý a telur. Oba materiály mohou tvořit tenké polovodičové vrstvy při relativně nízkých teplotách (pod 200 °C). Tato vlastnost poskytuje výrobcům větší flexibilitu při vrstvení dalších obvodů na stávající čipy, protože moderní výroba polovodičů omezuje vystavení teplu v pozdějších fázích, aby nedošlo k poškození již vytvořených struktur.

Nový tranzistor se také chová odlišně od konvenčních polovodičových zařízení. Zatímco u většiny čipů elektrický proud s rostoucím napětím stabilně stoupá, zařízení z POSTECH tento vzorec nedodržuje. Vědci navrhli tranzistor tak, aby vytvářel negativní diferenciální transkonduktanci (NDT), kdy proud dočasně klesá, i když napětí stále stoupá. Tým dosáhl dokonce dvojitého NDT efektu, kdy k poklesu proudu dojde dvakrát v rámci jednoho zařízení. Toto neobvyklé chování dává tranzistoru větší flexibilitu při zpracování signálů, přičemž efekt závisí na míře překrytí vrstev oxidu zinečnatého a teluru.

Pro demonstraci svého designu vědci sestrojili frekvenční kvadrupler – obvod, který převádí jeden vstupní signál na čtyři výstupní signály. Tradiční polovodičové uspořádání obvykle potřebuje k provedení této operace několik tranzistorů. Design z POSTECH dokončil úkol pomocí jediného tranzistoru, což snížilo požadavky na tranzistory o 75 %. Testování obvodů také ukázalo, že rychlost zpracování dat se během jednoho signálového cyklu zvýšila čtyřnásobně.

Vědci věří, že tato technologie by mohla pomoci pohánět kompaktní hardware umělé inteligence, nositelnou elektroniku a hustě balené trojrozměrné čipové systémy. Studie, financovaná jihokorejským Ministerstvem vědy a ICT a Národní výzkumnou nadací Koreje, byla publikována v časopise Advanced Functional Materials.