Smartphones, bärbara datorer och smarta klockor förbrukar enorma mängder energi, ändå används bara ungefär hälften av denna energi för att driva viktiga funktioner. Och med miljarder av dessa enheter som används över hela världen, en betydande mängd energi går till spillo. Professor Adrian Ionescu och hans team vid EPFL:s Nanoelectronic Devices Laboratory (Nanolab) har lanserat en rad forskningsprojekt i strävan att göra transistorer mer energieffektiva. "Transistorn är det mest förekommande konstgjorda föremålet som någonsin skapats av människor, " säger Prof. Ionescu. "Det möjliggör hela vår beräkningsinfrastruktur och hur vi interagerar i realtid med bärbar informationsbehandling på 2000-talet. Den utgör den grundläggande byggstenen för både digital och analog signalbehandling."

Energieffektivitet spelar roll

"I dag, vi vet att den mänskliga hjärnan förbrukar ungefär samma mängd energi som en 20 watts glödlampa, " säger Ionescu. "Trots att han förbrukar så lite energi, vår hjärna är kapabel att utföra uppgifter som är flera storleksordningar mer komplexa än vad en dator kan hantera – analysera information från våra sinnen och generera intelligenta beslutsprocesser. Vårt mål är att designa elektronisk teknologi för bärbara enheter som i effektivitet liknar mänskliga neuroner."

Transistorn som byggdes av EPFL-forskarna höjer ribban för energieffektivitet. Utvecklad i School of Engineering (STI) renrum, den består av 2D-lager av volframdiselenid (WSe ₂ ) och tenndiselenid (SnSe ₂ ), två halvledande material. Känd som en 2-D/2-D tunneltransistor, den utnyttjar WSe:s bandanpassning ₂ /SnSe ₂ gate korsning. Och eftersom den bara mäter några nanometer, det är osynligt för det mänskliga ögat. Som en del av samma forskningsprojekt, Nanolab-teamet designade också en ny hybrid dubbeltransportstruktur som en dag skulle kunna driva teknikprestandan ytterligare.

Bryter gränser

Med denna transistor, EPFL-teamet har också brutit en av de grundläggande gränserna för elektroniska enheter. "Tänk på en transistor som en switch som kräver energi för att slå på och av, " förklarar Ionescu. "I analogi, föreställ dig hur mycket energi det skulle ta att klättra till toppen av ett schweiziskt berg och gå ner i nästa dal. Tänk då hur mycket energi vi skulle kunna spara genom att tunnla genom berget istället. Detta är precis vad vår 2-D/2-D tunneltransistor uppnår:den utför samma digitala funktion med mycket mindre energi."

Tills nu, forskare och ingenjörer hade misslyckats med att bryta denna grundläggande energiförbrukningsgräns för 2-D/2-D-komponenter av denna typ. Men den nya transistorn förändrar allt det, sätta en ny standard för energieffektivitet i den digitala omkopplingsprocessen. Nanolab-teamet arbetade med gruppen ledd av professor Mathieu Luisier vid ETH Zürich för att testa och bekräfta den nya tunneltransistorns egenskaper via atomistisk simulering. "Det här är första gången som vi har brutit igenom denna grundläggande gräns, samtidigt som den uppnår högre prestanda än en standardtransistor gjord av samma 2D-halvledande material, och vid en mycket låg spänningsmatning, " säger prof. Ionescu.

Från wearables till edge AI

Denna nya teknik skulle kunna användas för att bygga elektroniska system som är nästan lika energieffektiva som nervcellerna i vår hjärna. "Våra neuroner verkar på cirka 100 millivolt (mV), eller ungefär 10 gånger lägre än spänningen från ett standardbatteri, " säger Prof. Ionescu. "Vår teknik arbetar för närvarande på 300 mV, vilket gör den cirka 10 gånger effektivare än en konventionell transistor." Ingen annan elektronisk komponent som finns idag kommer i närheten av denna effektivitetsnivå.

Detta efterlängtade genombrott har potentiella tillämpningar inom två områden:bärbara teknologier (som smarta klockor och smarta kläder) och chips för edge AI. Men att förvandla detta lab proof-of-concept till en industriell produkt kommer fortfarande att kräva flera år av hårt arbete.