Los nuevos componentes electrónicos revolucionarios se pueden adaptar para realizar tareas muy diferentes, una tecnología perfectamente adecuada para la inteligencia artificial.
Normalmente, los chips de computadora constan de componentes electrónicos que siempre hacen lo mismo.
En el futuro, sin embargo, será posible una mayor flexibilidad: los nuevos tipos de transistores adaptativos se pueden cambiar dinámicamente durante el tiempo de ejecución para realizar diferentes tareas lógicas.
Esto cambia fundamentalmente las posibilidades del diseño de chips y abre oportunidades completamente nuevas en el campo de la inteligencia artificial, las redes neuronales o incluso la lógica que funciona con más valores que son solo 0 y 1.
Para lograr esto, los científicos de TU Wien (Viena) no se basaron en la tecnología de silicio habitual, sino en el germanio.
Esto fue un éxito: el transistor más flexible del mundo ahora se ha producido con germanio. Ha sido presentado en la revista ACS Nano .
Las propiedades especiales del germanio y el uso de electrodos de puerta de programa dedicados hicieron posible crear un prototipo para un nuevo componente que puede marcar el comienzo de una nueva era de tecnología de chips.
Un electrodo de control adicional lo cambia todo
El transistor es la base de todo dispositivo electrónico moderno: es un componente diminuto que permite que la corriente fluya o bloquea el flujo de corriente, dependiendo de si se aplica o no un voltaje eléctrico a un electrodo de control. Esto hace posible construir circuitos lógicos simples pero también almacenamiento de memoria.
La forma en que se transporta la carga eléctrica en el transistor depende del material utilizado: o hay electrones en movimiento libre que llevan una carga negativa, o puede faltar un electrón en los átomos individuales, por lo que este punto tiene carga positiva.
Esto se denomina entonces “agujeros”; también se pueden mover a través del material.
En el novedoso transistor de TU Wien, tanto los electrones como los agujeros se manipulan simultáneamente de una manera muy especial: “Conectamos dos electrodos con un cable extremadamente delgado hecho de germanio, a través de interfaces extremadamente limpias y de alta calidad. Sobre el segmento de germanio, colocamos un electrodo de puerta como los que se encuentran en los transistores convencionales. Lo decisivo es que nuestro transistor cuenta con un electrodo de control adicional, que se coloca en las interfaces entre el germanio y el metal. Lo que puede programar dinámicamente la función del transistor ”, explica el Dr. Masiar Sistani, investigador postdoctoral en el equipo del Prof. Walter Weber en el Instituto de Electrónica de Estado Sólido de TU Wien.
Esta arquitectura de dispositivo permite controlar electrones y huecos por separado.
“El hecho de que usemos germanio es una ventaja decisiva”, dice Masiar Sistani. “Esto se debe a que el germanio tiene una estructura electrónica muy especial: cuando aplica voltaje, el flujo de corriente aumenta inicialmente, como era de esperar. Sin embargo, después de un cierto umbral, el flujo de corriente vuelve a disminuir; esto se denomina resistencia de diferencial negativa. Con la ayuda del electrodo de control, podemos modular a qué voltaje se encuentra este umbral. Esto da como resultado nuevos grados de libertad que podemos usar para darle al transistor exactamente las propiedades que necesitamos en este momento “.
De esta manera, por ejemplo, una puerta NAND (una puerta lógica no y) se puede cambiar a una puerta NOR (una puerta lógica no-no). “Hasta ahora, la inteligencia de la electrónica ha venido simplemente de la interconexión de varios transistores, cada uno de los cuales tenía solo una funcionalidad bastante primitiva. En el futuro, esta inteligencia se puede transferir a la adaptabilidad del nuevo transistor en sí ”, dice el profesor Walter Weber. “Las operaciones aritméticas, que antes requerían 160 transistores, son posibles con 24 transistores debido a esta mayor adaptabilidad. De esta forma, la velocidad y la eficiencia energética de los circuitos también se pueden incrementar significativamente ”.
El grupo de investigación del profesor Weber solo ha estado trabajando en TU Wien durante unos dos años.
El profesor Walter Weber se ha hecho un nombre internacional con su trabajo en electrónica novedosa y reconfigurable.
El Dr. Masiar Sistani es un experto en el campo de la electrónica del germanio y se ha especializado en la investigación de los fenómenos del transporte electrónico.
Estas dos áreas de especialización son una combinación perfecta para hacer posible el transistor de germanio adaptativo.
“Todavía es necesario optimizar algunos detalles, pero con nuestro primer transistor de germanio programable hemos demostrado que la idea básica realmente funciona. Este es un avance decisivo para nosotros ”, dice Masiar Sistani.
Inteligencia artificial
Estas nuevas posibilidades son particularmente interesantes para aplicaciones en el campo de la inteligencia artificial: “Nuestra inteligencia humana se basa en circuitos que cambian dinámicamente entre las células nerviosas. Con los nuevos transistores adaptativos, ahora es posible cambiar circuitos directamente en el chip de una manera específica ”, dice Walter Weber.
La lógica multivalor también se puede implementar de esta manera, es decir, circuitos que funcionan no solo con 0 y 1, sino con un mayor número de estados posibles.
Una aplicación industrial rápida de esta nueva tecnología es realista: los materiales utilizados ya se utilizan en la industria de los semiconductores en la actualidad y no son necesarios procesos de fabricación completamente nuevos.
En algunos aspectos, la tecnología sería incluso más simple que antes: hoy en día, los materiales semiconductores están dopados, es decir, enriquecidos con átomos extraños individuales.
Esto no es necesario con el transistor basado en germanio; se puede utilizar germanio puro.
“No queremos reemplazar completamente la tecnología de transistores basada en silicio bien establecida con nuestro nuevo transistor, eso sería presuntuoso”, dice Masiar Sistani. “Es más probable que la nueva tecnología se incorpore en chips de computadora como un complemento en el futuro. Para ciertas aplicaciones, simplemente será más eficiente energéticamente y será más conveniente confiar en transistores adaptativos “.
Referencia: “Nanometer-Scale Ge-Based Adaptable Transistors Providing Programmable Negative Differential Resistance Enabling Multivalued Logic” by Masiar Sistani, Raphael Böckle, David Falkensteiner, Minh Anh Luong, Martien I. den Hertog, Alois Lugstein and Walter M. Weber, 27 October 2021, ACS Nano.
DOI: 10.1021/acsnano.1c06801