(PhysOrg.com) - Framtidens datorer kan inte fungera på elektroner, men på små vågor som färdas genom en elektronvätska, "om ett nytt förslag lyckas. Den nya kretsdesignen, nyligen introducerad av Dr Héctor J. De Los Santos, CTO för NanoMEMS Research, LLC, i Irvine, Kalifornien, kan vara en lovande kandidat för att ersätta CMOS-baserade kretsar, och slutligen fortsätta den kretstäthetstillväxt som beskrivs av Moores lag.

Som Gordon Moore förutspådde för mer än 40 år sedan, antalet transistorer som kan passa på ett datorkrets har fördubblats ungefär var 18:e månad. Men om trenden ska fortsätta under de kommande åren, det måste vara med annan teknik än den konventionella CMOS -designen. När storleken på transistorer kommer ner till nanoskala, CMOS -enheter börjar drabbas av flera problem, såsom ökat motstånd, minskad kanalrörlighet, och ökade tillverkningskostnader.

För att övervinna utmaningarna med skalning, forskare från hela världen har börjat leta efter alternativ till CMOS -teknik. De Los Santos ’koncept, kallad nano-elektron-fluidic logic (NFL), är baserat på flödet av plasmoner i en vätskeliknande elektrongas (i grunden en elektronvätska). Han förutspår att logiska grindar med NFL -designen erbjuder potential för femtosekundväxlingshastigheter och sub -femtojoule -effektförluster vid rumstemperatur - siffror som skulle vara extremt kapabla att fortsätta Moores lag utöver CMOS. De Los Santos tidning kommer att publiceras i ett framtida nummer av IEEE -transaktioner om nanoteknik .

Som De Los Santos förklarar, NFL -konceptet drar fördel av egenskaperna hos ytplasmavågor (SPW). Dessa vågor sprider sig på inversionsskiktet vid det isolerande grind-halvledargränssnittet (vilket, I detta fall, förkroppsligar en elektrisk vätska) och beter sig som en SPW -vågledare. När två SPW:er kolliderar, de stöter bort varandra. I enhetsinställningen, en SPW lanseras från en viss riktning för att kollidera med en annan SPW, får det att spridas i en av två riktningar, där det upptäcks och tolkas som ett ”1” eller, om det inte upptäcks, ett ”0.”

För att påbörja processen, en SPW lanseras i en kanal fylld med elektronvätska som gafflar till två kanaler, var och en med en detektor i slutet. Under inga yttre krafter, SPW delas lika så att lika delar detekteras vid de två ändterminalerna. Men när en andra SPW lanseras i huvudkanalen från vänster eller höger, det kommer att få den ursprungliga SPW att böja in i motsatt gaffel. Till exempel, en andra SPW som kommer från höger skulle styra den ursprungliga SPW längs vänster gaffel. När SPW detekteras vid den vänstra ändterminalen, och inte rätt, NFL-enheten utgör grunden för en logisk flip-flop, har förmågan att lagra en bit minne.

SPW -designen skiljer sig konceptuellt från CMOS -designen i den meningen att den är baserad på vågor snarare än partiklar. De Los Santos jämför SPW -konceptet med en våg i en damm som uppstår när en sten rullas i vattnet. I denna analogi, vattnet är elektronvätskan, störningen är en avvikelse från laddningsneutralitet vid en given punkt i elektronvätskan (snarare än avvikelsen från jämviktsläget för en partikel som rör sig upp och ner), och störningen med avvikelsen från laddningsneutralitet är SPW.

"Lägg märke till att, medan störningen rör sig bort från dess utgångspunkt, en partikel vid vattenytan stannar på samma plats; det rör sig bara upp och ner, ”Berättade De Los Santos PhysOrg.com . "Således, spridningen av störningen innebär inte transport av massa. Faktiskt, störningen [SPW] rör sig med en hastighet snabbare än den vid vilken de massiva vattenpartiklarna [elektronerna] kunde transporteras. Detta fastställer, kvalitativt, varför hastigheten på en SPW är högre än en elektron. ”

I jämförelse, en konventionell CMOS -logik bygger på att transportera elektroner genom en kanal genom att etablera en elektronström. Som De Los Santos förklarar, elektronströmmen består av en sammansättning av enskilda elektroner som individuellt drabbas av kollisioner med föroreningar och det vibrerande bakgrundsledaren. Dessa kollisioner begränsar maxhastigheten, och minsta effektförlust, uppnåelig för att utföra en logisk funktion.

"Så, NFL är i grunden baserat på lansering av våg (SPW), förökning och manipulation, och CMOS är baserat på kanalkonduktivitetsmodulering och partikeltransport, " han sa.

När det gäller NFL -enheten, nyckeln till att optimera dess densitet är att hitta en optimal enhetslängd för önskad driftsfrekvens.

"När den väl lanserades, SPW har en livstid som beror på avståndet de sprider sig, ”Sa De Los Santos. "Om punkten där de upptäcks är för långt bort från ursprungspunkten, SPW:erna kommer att dö innan de kommer dit; ingen logisk operation kan utföras. Avståndet är för stort, enhetens storlek blir för stor, och enhetstätheten blir liten. Nu, om detekteringspunkten är för nära ursprunget, SPW:erna studsar/reflekteras vid detekteringspunkten, och sprida sig tillbaka till ursprungspunkten, där de kommer att reflekteras igen och sprida sig tillbaka till detekteringspunkten och så vidare; detta är ett resonansvillkor. I detta fall, enheten är liten, densiteten är stor, men det vi har är en oscillator. Dock, om detekteringspunkten är placerad på ett sådant avstånd att SPW detekteras innan den dör, så att rundresan tillbaka till startpunkten är sådan att den dör innan du kommer dit, då har vi rätt enhetsstorlek, och rätt enhetstäthet för NFL. ”

Med resonansbegränsningen i åtanke, De Los Santos förutspår att den ultimata enhetstätheten skulle vara den för minsta möjliga plasmon, som är en elektrisk dipol. Eftersom den minsta elektriska dipolen är en atom, densiteten skulle vara lika med areal atomtäthet för den typ av atom som används. Jämfört med nuvarande CMOS -funktionsstorlekar, NFL-logiken kan eventuellt utföra samma funktion på bara en fjärdedel av området.

Förutom dess potential för hög densitet, NFL -logiken har andra fördelar, till exempel en snabb driftshastighet och ett litet energibehov. SPW har en förökningshastighet på cirka 1 miljard cm/sek, vilket är två storleksordningar större än elektroner. På nanoskala, denna hastighet möjliggör växlingstider i storleksordningen femtosekunder, eller byta frekvenser på cirka 6 THz vid rumstemperatur. När det gäller energi, den enda kraft som krävs är den som behövs för att excitera en SPW, som kan göras med valfri likström. Att underhålla elektronvätskan kräver försumbar strömförbrukning, så att enhetens totala strömförbrukning bestäms av den minsta detekterbara strömmen.

Dessutom, NFL -konceptet är kompatibelt med nuvarande litografiska funktioner, så att den kan dra nytta av etablerad halvledartillverkningsinfrastruktur. NFL -logikportar kan också kopplas till konventionell elektronik. I framtiden, De Los Santos planerar att fortsätta undersöka möjligheterna med NFL -logik.

“Forskning och utveckling pågår för att ta itu med NFL-baserad design, särskilt, asynkrona logikdesignstilar, och gränssnitt mot elektroner, fotoniska och plasmoniska system, ”Sa De Los Santos. “NFL-baserade digitala logikkretsfunktioner förväntas förskjuta CMOS som en teknik som kommer att genomsyra från datorerna, bärbara datorer, och mobiltelefoner till kommunikationssatelliterna, instrumenteringsutrustning och framtidens bilar. ”

Mer information: Héctor J. De Los Santos. "Theory of Nano-Electron-Fluidic Logic (NFL):A New Digital 'Electronics' Concept." IEEE -transaktioner om nanoteknik . Att bli publicerad.

Copyright 2009 PhysOrg.com.
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivet eller omfördelat helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.