Комп’ютери протягом останніх десятиліть ставали щораз компактнішими та швидшими. Основна причина в тому, що вчені могли постійно зменшувати розмір транзисторів — мініатюрних електронних перемикачів, які передають цифрову інформацію.
Що меншими ставали транзистори, то більше їх можна було помістити на чип. Але мініатюризація, здається, може невдовзі припинитись. Науковці та інженери вже практично досягнули фізичного ліміту на розмір транзистора, який, згідно з сучасними моделями, становить 10 нанометрів, тобто лише 30 атомів у довжину.
“Основу обчислювальної сили комп’ютера становлять мільярди транзисторів, які пов’язані на одному чипі, — розповідає Др. Кйонджо Чхо, професор матеріалознавства Техаського університету в Далласі. — Але ми швидко наближаємося до фізичного обмеження розміру транзистора”.
Щоб і надалі збільшувати швидкість обчислювальних пристроїв, індустрія мікроелектроніки повинна знайти альтернативні рішення. Дослідження Чхо, опубліковане в журналі Nature Communications, пропонує це зробити шляхом розширення “словника” транзистора.
Звичайні транзистори можуть передавати лише дві інформаційні величини. Оскільки перемикач або включений, або виключений, то у бінарній системі його положення відповідають значенням "1" і "0".
Один зі способів збільшити обчислювальну потужність комп’ютера, не множачи при цьому кількість транзисторів на чипі, — це збільшити пропускну спроможність кожного транзистора, додавши проміжні стани між “включеним” і “виключеним”. Так звані “багатозначні логічні транзистори” можуть виконувати більшу кількість операцій за один і той самий час, тож комп’ютер працюватиме швидше, навіть якщо їхня кількість залишатиметься однаковою.
“Ідея багатозначного логічного транзистора — не нова. В історії було багато спроб створити такі пристрої. Нарешті ми це зробили”, — стверджує Чхо.
На основі фундаментальної теорії, комп’ютерних симуляцій та інженерного дизайну його команда розробила фізику багатозначного логічного транзистора на основі оксиду цинку. Їхні колеги з Південної Кореї успішно виготовили та випробували прототип.
Транзистор Чхо може перебувати у двох стабільних і надійних електронних станах між "1" і "0". Таким чином, дослідники збільшили кількість його логічних значень від двох до трьох і навіть чотирьох.
За словами Чхо, новий транзистор не лише сумісний з сучасними конфігураціями комп’ютерних чипів, а й також дозволяє заповнити прогалину між традиційним та квантовим комп’ютером — потенційно новим рубежем у розвитку комп’ютерних технологій.
Поки звичайний комп’ютер проводить обчислення, оперуючи лише двома величинами, логічні одиниці квантового комп’ютера набагато гнучкіші і включають величини, що відповідають “1” і “0” одночасно та будь-яким значенням між ними. Хоча квантові комп’ютери ще потрібно реалізувати комерційно, згідно з теорією, вони повинні зберігати набагато більше інформації і проводити обчислення швидше, ніж традиційні комп’ютери.
“Пристрій на основі багаторівневої логіки працюватиме швидше, ніж звичайний комп’ютер, оскільки він працюватиме з більшою кількістю величин, ніж бінарний код. З квантовим комп’ютером ви узагалі матимете неперервні величини”, — каже Чхо.
“Транзистор — це вже досить традиційна технологія, а квантовому комп’ютеру ще належить пройти довгий шлях до комерціалізації. Тож між ними існує величезна прогалина. Відтак як нам прийти від одного до другого? Нам потрібен еволюційний шлях, технологія, яка лежить десь посередині між бінарним кодом і безмежною кількістю ступенів свободи. Наша розробка ґрунтується на традиційних технологіях комп’ютерних транзисторів, тож вона менше революційна, ніж квантовий комп’ютер, але вона вже рухається в цьому напрямку”, — продовжив він.
Транзистор Чхо виконаний з двох конфігурацій оксиду цинку, поєднаних у такий спосіб, що сформувати композитний наношар, який поєднується з шарами інших матеріалів, утворюючи суперґратку.
Науковці виявили, що можуть досягнути фізики, необхідної для багатозначної логіки, шляхом додавання кристалів оксиду цинку, названих квантовими точками, до аморфного оксиду цинку. Атоми, з яких складається аморфне тіло, не упорядковані так строго, як в кристалічному тілі.
“Шляхом різних маніпуляцій з цим матеріалом ми виявили, що можемо отримати специфічну електронну структуру, яка робить можливою цю багаторівневу логічну поведінку, — сказав Чхо, який вже запатентував свій винахід. — Добре відомо, що оксид цинку може утворювати як кристалічні, так і аморфні тверді тіла. Тож для початку це був очевидний вибір. Однак, можливо, це не найкращий матеріал для створення транзистора. Нашим наступним кроком стане аналіз цієї поведінки серед інших матеріалів. Ми хочемо побачити, наскільки вона універсальна. Далі ми б хотіли вивчити, як цю технологію можна поєднати з квантовим комп’ютером”.
ZnO composite nanolayer with mobility edge quantization for multi-value logic transistors.
Nature Communications, 2019; 10 (1)
Beyond 1 and 0: Engineers boost potential for creating successor to shrinking transistors
ScienceDaily, 29/05/2019
Зреферував Є. Л.