- 27,645
- 46
- 8 Ноя 2022
Корейские исследователи смоделировали момент, когда квантовое туннелирование начинает мешать работе чипов, и показали, что некоторые схемы можно ужать даже ниже.
Учёные KAIST нашли способ заранее понять, насколько далеко инженеры смогут уменьшать транзисторы, прежде чем квантовая физика начнёт ломать привычные правила работы чипов. Вместо дорогих опытных партий и долгой серии проб и ошибок команда построила атомарную симуляцию, которая показывает, где электроны начинают просачиваться сквозь барьеры и мешать управлять током.
Транзисторы остаются крошечными переключателями, на которых держится вся современная электроника. Чем меньше транзистор, тем больше таких переключателей можно разместить на кристалле, а значит, тем выше производительность и ниже энергопотребление будущих процессоров. Но в эпоху 2 нм название техпроцесса уже давно не совпадает с реальными размерами всех элементов, а дальнейшее уменьшение упирается в квантовое туннелирование.
При туннелировании электрон проходит через барьер, который в классической физике должен был бы его остановить. Для транзистора такая утечка превращается в прямую проблему, потому что ток становится сложнее включать и выключать. Инженерам нужно заранее знать, на какой длине начинается опасная утечка, но прямые измерения на границе металлических контактов и полупроводникового канала почти недоступны. Там всё решают атомы, геометрия контакта и свойства выбранного металла.
Команда KAIST применила первопринципные расчёты, которые описывают поведение материалов через законы физики, а не через подгонку под экспериментальные данные. Исследователи опирались на ранее созданную схему MS-DFT и провели виртуальные эксперименты по методу передаточной длины. Такой метод обычно используют для измерения контактного сопротивления между металлическими электродами и полупроводниками.
Симуляции показали, как электроны проходят через границу металл-полупроводник и где находится критическая длина туннелирования. После такой границы электронная утечка уже начинает заметно влиять на работу транзистора. Для проверки подхода исследователи взяли монослой дисульфида молибдена MoS2. Такой двумерный полупроводник рассматривают как один из кандидатов для каналов будущих транзисторов, потому что материал можно получать в толщину одного атомного слоя.
Расчёты показали, что минимальный размер транзистора нельзя назвать одной универсальной цифрой. Проникновение электронов в канал зависит от выбранного металлического электрода и атомной структуры контактной области. На предел уменьшения влияют работа выхода металла и геометрия контакта, поэтому инженеры могут менять границу масштабирования подбором материалов и конфигурацией интерфейса.
В некоторых изученных сочетаниях KAIST удалось подавить утечку электронов на размерах меньше 4 нм. Такой результат говорит, что будущие транзисторы можно уменьшать дальше, чем позволяют многие нынешние технологические ограничения, если правильно подобрать материалы и архитектуру контактов.
Авторы также предложили стратегию проектирования, где двумерные полупроводники с разными свойствами помогают снизить энергопотребление будущих микросхем. По словам профессора Ён Хун Кима, работа даёт новый физический критерий для оценки того, насколько маленькими могут стать транзисторы следующего поколения.
Исследователи считают, что такой вычислительный подход поможет разработчикам чипов оценивать производительность и пределы уменьшения транзисторов ещё до изготовления опытных образцов. Для производителей процессоров, ускорителей ИИ и систем высокопроизводительных вычислений такой инструмент может сократить цикл разработки и снизить цену ошибок на ранних этапах проектирования. Работа опубликована в журнале npj Computational Materials.
Учёные KAIST нашли способ заранее понять, насколько далеко инженеры смогут уменьшать транзисторы, прежде чем квантовая физика начнёт ломать привычные правила работы чипов. Вместо дорогих опытных партий и долгой серии проб и ошибок команда построила атомарную симуляцию, которая показывает, где электроны начинают просачиваться сквозь барьеры и мешать управлять током.
Транзисторы остаются крошечными переключателями, на которых держится вся современная электроника. Чем меньше транзистор, тем больше таких переключателей можно разместить на кристалле, а значит, тем выше производительность и ниже энергопотребление будущих процессоров. Но в эпоху 2 нм название техпроцесса уже давно не совпадает с реальными размерами всех элементов, а дальнейшее уменьшение упирается в квантовое туннелирование.
При туннелировании электрон проходит через барьер, который в классической физике должен был бы его остановить. Для транзистора такая утечка превращается в прямую проблему, потому что ток становится сложнее включать и выключать. Инженерам нужно заранее знать, на какой длине начинается опасная утечка, но прямые измерения на границе металлических контактов и полупроводникового канала почти недоступны. Там всё решают атомы, геометрия контакта и свойства выбранного металла.
Команда KAIST применила первопринципные расчёты, которые описывают поведение материалов через законы физики, а не через подгонку под экспериментальные данные. Исследователи опирались на ранее созданную схему MS-DFT и провели виртуальные эксперименты по методу передаточной длины. Такой метод обычно используют для измерения контактного сопротивления между металлическими электродами и полупроводниками.
Симуляции показали, как электроны проходят через границу металл-полупроводник и где находится критическая длина туннелирования. После такой границы электронная утечка уже начинает заметно влиять на работу транзистора. Для проверки подхода исследователи взяли монослой дисульфида молибдена MoS2. Такой двумерный полупроводник рассматривают как один из кандидатов для каналов будущих транзисторов, потому что материал можно получать в толщину одного атомного слоя.
Расчёты показали, что минимальный размер транзистора нельзя назвать одной универсальной цифрой. Проникновение электронов в канал зависит от выбранного металлического электрода и атомной структуры контактной области. На предел уменьшения влияют работа выхода металла и геометрия контакта, поэтому инженеры могут менять границу масштабирования подбором материалов и конфигурацией интерфейса.
В некоторых изученных сочетаниях KAIST удалось подавить утечку электронов на размерах меньше 4 нм. Такой результат говорит, что будущие транзисторы можно уменьшать дальше, чем позволяют многие нынешние технологические ограничения, если правильно подобрать материалы и архитектуру контактов.
Авторы также предложили стратегию проектирования, где двумерные полупроводники с разными свойствами помогают снизить энергопотребление будущих микросхем. По словам профессора Ён Хун Кима, работа даёт новый физический критерий для оценки того, насколько маленькими могут стать транзисторы следующего поколения.
Исследователи считают, что такой вычислительный подход поможет разработчикам чипов оценивать производительность и пределы уменьшения транзисторов ещё до изготовления опытных образцов. Для производителей процессоров, ускорителей ИИ и систем высокопроизводительных вычислений такой инструмент может сократить цикл разработки и снизить цену ошибок на ранних этапах проектирования. Работа опубликована в журнале npj Computational Materials.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
