Normalt består datorchips av elektroniska komponenter som alltid gör samma sak. I framtiden kommer dock mer flexibilitet att bli möjlig:Nya typer av adaptiva transistorer kan växlas blixtsnabbt, så att de kan utföra olika logiska uppgifter efter behov. Detta förändrar i grunden möjligheterna för chipdesign och öppnar helt nya möjligheter inom området artificiell intelligens, neurala nätverk eller till och med logik som fungerar med fler värden än bara 0 och 1.

För att uppnå detta förlitade sig forskare vid TU Wien (Wien) inte på den vanliga kiselteknologin, utan på germanium. Detta var en framgång:Den mest flexibla transistorn i världen har nu tillverkats med germanium. Den har presenterats i tidskriften ACS Nano . Germaniums speciella egenskaper och användningen av dedikerade programgrindelektroder gjorde det möjligt att skapa en prototyp för en ny komponent som kan inleda en ny era av chipteknologi.

En extra kontrollelektrod förändrar allt

Transistorn är grunden för varje modern elektronisk enhet:det är en liten komponent som antingen låter ström flyta eller blockerar strömflödet - beroende på om en elektrisk spänning påläggs en kontrollelektrod eller inte. Detta gör det möjligt att bygga enkla logiska kretsar men även minneslagring.

Hur den elektriska laddningen transporteras i transistorn beror på vilket material som används:Antingen finns det fritt rörliga elektroner som bär en negativ laddning, eller så kan en elektron saknas från enskilda atomer, så att denna punkt är positivt laddad. Detta kallas då för "hål" – de kan också flyttas genom materialet.

I den nya transistorn vid TU Wien manipuleras både elektroner och hål samtidigt på ett mycket speciellt sätt:"Vi kopplar ihop två elektroder med en extremt tunn tråd gjord av germanium, som är ansluten till metall på båda sidor med ett speciellt, extremt rent gränssnitt. Ovanför detta germaniumsegment placerar vi en grindelektrod som de som finns i konventionella transistorer. Det avgörande är att vår transistor även har en annan styrelektrod, som placeras på gränssnitten mellan germanium och metall. Den kan dynamiskt programmera funktionen för transistor", förklarar Dr Masiar Sistani, som är postdoktor i Prof. Walter Webers team vid Institutet för Solid State Electronics vid TU Wien.

Denna konstruktion gör det möjligt att kontrollera elektroner och hål separat. "Det faktum att vi använder germanium är en avgörande fördel", säger Masiar Sistani. "Detta beror på att germanium har en mycket speciell elektronisk struktur:när du lägger på spänning ökar strömflödet initialt, som du kan förvänta dig. Efter en viss tröskel minskar dock strömflödet igen - detta kallas negativt differentialmotstånd. Med med hjälp av styrelektroden kan vi modulera vid vilken spänning denna tröskel ligger. Detta resulterar i nya frihetsgrader som vi kan använda för att ge transistorn exakt de egenskaper som vi behöver för tillfället."

På detta sätt kan till exempel en NAND-grind (en logisk icke-och-grind) kopplas om till en NOR-grind (en logisk varken-eller-grind). "Tills nu har elektronikens intelligens helt enkelt kommit från sammankopplingen av flera transistorer, som var och en endast hade en ganska primitiv funktionalitet. I framtiden kan denna intelligens överföras till anpassningsförmågan hos den nya transistorn själv", säger Prof. Walter Weber. "Aritmetiska operationer, som tidigare krävde 160 transistorer, är möjliga med 24 transistorer på grund av denna ökade anpassningsförmåga. På så sätt kan även kretsarnas hastighet och energieffektivitet ökas avsevärt."

Prof. Webers forskargrupp har bara arbetat vid TU Wien i cirka två år. Prof. Walter Weber har gjort sig ett internationellt namn med sitt arbete med ny, omkonfigurerbar elektronik. Dr. Masiar Sistani är expert inom området germaniumelektronik och har specialiserat sig på forskning om elektroniska transportfenomen. Dessa två expertområden är en perfekt matchning för att göra den adaptiva germaniumtransistorn möjlig. "En del detaljer behöver fortfarande optimeras, men med vår första programmerbara germaniumtransistor har vi bevisat att grundidén verkligen fungerar. Detta är ett avgörande genombrott för oss", säger Masiar Sistani.

Artificiell intelligens

Dessa nya möjligheter är särskilt intressanta för tillämpningar inom området artificiell intelligens:"Vår mänskliga intelligens bygger på att dynamiskt förändra kretsar mellan nervceller. Med nya adaptiva transistorer är det nu möjligt att byta kretsar direkt på chipet på ett riktat sätt, säger Walter Weber. Flervärdig logik kan också implementeras på detta sätt – dvs kretsar som fungerar inte bara med 0 och 1, utan med ett större antal möjliga tillstånd.

En snabb industriell tillämpning av denna nya teknik är realistisk:de material som används används redan idag i halvledarindustrin och inga helt nya tillverkningsprocesser behövs. I vissa avseenden skulle tekniken till och med vara enklare än tidigare:idag är halvledarmaterial dopade, det vill säga berikade med enskilda främmande atomer. Detta är inte nödvändigt med den germaniumbaserade transistorn; ren germanium kan användas.

"Vi vill inte helt ersätta den tidigare transistorteknologin med vår nya transistor, det vore förmätet", säger Masiar Sistani. "Den nya tekniken kommer mer sannolikt att införlivas i datorchips som ett tillägg i framtiden. För vissa applikationer kommer det helt enkelt att vara mer energieffektivt att förlita sig på adaptiva transistorer." + Utforska vidare

Ny nanostruktur kan vara nyckeln till kvantelektronik