Genom att obevekligt miniatyrisera en datorteknik före andra världskriget, och kombinera detta med ett nytt och hållbart material, forskare vid Case Western Reserve University har byggt växlar och logiska grindar i nanoskala som fungerar mer energieffektivt än de som nu används av miljarder i datorer, surfplattor och smarta telefoner.

Elektromekaniska strömbrytare var elektronikens byggstenar innan halvledartransistorn utvecklades under kriget. En version gjord av kiselkarbid, på minsta skala, slås på och av som en ljusströmbrytare, och med inget av det energislösande strömläckage som plågar den minsta elektroniken idag.

Forskarna rapporterar sina resultat idag vid International Electron Devices Meeting i Washington D.C.

Den lilla strömbrytarens rörliga del är bara cirka en kubikmikron i volym, mer än tusen gånger mindre än enheter tillverkade i dagens vanliga mikroelektromekaniska system (MEMS). Således, denna switch kan röra sig mycket snabbare och är mycket lättare.

Switchen har också visat sig hållbar, fungerar i mer än 10 miljoner cykler i luft, vid omgivningstemperaturer och hög värme utan prestandaförlust – mycket längre än de flesta andra kandidater för en icke-läckande strömbrytare.

Sådan tolerans kan göra det möjligt för elektroniktillverkare att bygga en dator som arbetar inom den intensiva värmen från en kärnreaktor eller jetmotor. Kiseltransistorer börjar försämras vid cirka 250 grader Celsius (480 grader Fahrenheit). Tester har visat att kiselkarbidbrytarna fungerar vid mer än 500 grader Celsius (930 grader Fahrenheit).

Utvecklingen är betydande eftersom växlingsenheter är kärnan i dator- och kommunikationsteknik.

"I våra fickor och ryggsäckar, nuförtiden bär vi ofta mobila enheter som består av miljarder sådana byggstenar, som slås på och av för att utföra informationsbearbetningsfunktionerna, " förklarade Philip Feng, professor i elektroteknik och datavetenskap vid Case Western Reserve och ledare för projektet.

Kiselbaserade metall-oxid-halvledarfälteffekttransistorer, kallas MOSFET, är de dominerande kopplingsenheterna i integrerade kretsar och har lett till många extraordinära teknologier som man åtnjuter idag, sa Feng. Men fortsatt miniatyrisering av kisel MOSFETs under de senaste decennierna har nyligen avtagit, eftersom strömförbrukning och värmeavledning har blivit stora utmaningar.

Energi går förlorad och värme genereras eftersom MOFSETs i nanoskala läcker som en gammal kran. Elektroner fortsätter att färdas genom en strömbrytare som är avstängd.

"Kiselomkopplarna läcker effekt på cirka 1 till 10 nanowatt vardera, " sa Feng. "När du har en miljard av dessa på ett datorchip, du förlorar några till tiotals watts effekt. Det kommer att förbruka batteriet du bär, även när transistorerna inte aktivt utför beräkningsfunktioner."

Stora datacenter slösar inte bara den energin, de betalar kostnaderna för kylning för att förhindra att datorer överhettas.

Tina han, Prof. Fengs doktorand i elektroteknik och datavetenskap vid Case School of Engineering, kommer att ge detaljer om att tillverka och testa switcharna i sin presentation, Kiselkarbid (SiC) nanoelektromekaniska omkopplare och logiska grindar med långa cykler och robust prestanda i omgivande luft och hög temperatur, vid det internationella mötet. Hon är planerad att tala i sessionen "Nano Device Technology – Steep-Slope Devices" klockan 15:40. (östlig amerikansk tid), måndag, 9 dec.

Forskargruppen har gjort tre-terminal, grindstyrda omkopplare och olika typer av logiska grindar – grundläggande element som används i databehandling och kommunikation.

"Jämfört med kisel och andra vanliga material, SiC är ganska speciellt eftersom det är mycket mer motståndskraftigt mot oxidation, till kemiska föroreningar och att slita, "Feng sa. "Dessa egenskaper borde lämpa sig för enheter med mer robust prestanda samtidigt som de skyddar dem från tuffa driftsmiljöer."