Los transistores de efecto de campo (FET, por sus siglas en inglés) ofrecen algunos de los cambios de mayor eficiencia energética en los chips informáticos comerciales, pero incluso cuando funcionan con voltajes mínimos, los FET siguen consumiendo demasiada energía para soportar las crecientes demandas de las tecnologías avanzadas y responder a la crisis energética sin reducir la eficiencia del hardware.
Ahora, los investigadores de Penn Engineering han encontrado una manera de reducir en gran medida el consumo de energía de los FET (Field-effect transistors) utilizando un método de canalización de electrones a través de barreras de energía en lugar de atravesarlas.
Los electrones en los TFET son como bolas que necesitan rodar cuesta arriba para llegar al otro lado, pero al hacer un túnel, no necesitan rodar colina arriba, reciben un pequeño empujón y logran atravesarlo.
Novedoso diseño de ‘túnel’ para chips energéticamente eficientes
La tunelización requiere voltajes mucho más bajos que la inyección térmica utilizada en los FET de última generación, y a través de múltiples demostraciones y simulaciones de dispositivos, los investigadores confirmaron que la tunelización de electrones es lo que permite que su transistor sea tan efectivo a baja potencia.
Los experimentos apuntan a un futuro prometedor para los FET de tunelización más allá de su eficiencia energética. Con más investigación, estos dispositivos tienen el potencial de superar otras limitaciones de FET.
“Nuestro diseño probablemente se puede miniaturizar en grados que un FET estándar no puede y lograr una conmutación aún más rápida. Es una solución muy prometedora no solo para el uso de energía, sino también para otras aplicaciones de dispositivos versátiles que requieren tareas computacionales complejas”, dice Jinshui Miao, ex investigador postdoctoral en el Laboratorio Jariwala de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas.
Esta noticia apareció en Penn Engineering Today, donde también explican otros avances en el campo de la eficiencia y los nuevos materiales para la computación como el siguiente sobre almacenamiento de memoria.
Almacenamiento de memoria de computadora estable y más rápido
Cuando los tamaños de las características del chip se vuelven demasiado pequeños, por ejemplo, a escala nanométrica, sus propiedades físicas y materiales pueden cambiar, lo que los hace menos confiables para hacer su trabajo. En la última década, los científicos han logrado grandes avances en el descubrimiento de nuevas sustancias que, en cambio, se vuelven cada vez más estables a medida que se reducen, lo que sugiere la promesa de dispositivos de almacenamiento más pequeños que se pueden integrar en unidades de procesamiento de computadora (CPU) de silicio para aumentar la velocidad y la funcionalidad.
Uno de esos compuestos es el dióxido de hafnio (HfO2), un material que se descubrió que retiene una propiedad deseable, conocida como ferroelectricidad, incluso en la escala de unos pocos nanómetros (~2 nm). Cuando un material ferroeléctrico se expone a un campo eléctrico externo lo suficientemente fuerte, se polariza fuertemente eléctricamente, que es un estado en el que el material tiene dipolos de carga más-menos alineados. Lo bueno de los materiales ferroeléctricos es que esta polarización persiste, incluso si se elimina el campo eléctrico externo, de forma análoga a cómo un clavo de hierro puede magnetizarse permanentemente.
Esta polarización persistente significa que el material recuerda la última dirección en la que fue polarizado eléctricamente.
Lo que hace que HfO2 sea especial es que puede cambiar rápidamente entre un modo ascendente o descendente, correspondiente a los ceros y unos que usan las computadoras, en dimensiones reducidas y luego retener esta información hasta que se cambia nuevamente. Pero cómo es capaz de lograr esta hazaña sigue siendo un misterio.
Ahora, un grupo de investigadores dirigido por Andrew M. Rappe , profesor de Química Blanchard en la Facultad de Artes y Ciencias , ha descubierto cómo el HfO2 conserva su fase ferroeléctrica en estas condiciones y explica cómo se mantiene estable.
Su investigación, publicada en Science Advances , detalla cómo HfO2 experimenta una transición de dos pasos que resulta en un cambio en la disposición de sus átomos cuando crece en una película delgada. Esto le permite «pasar de una fase, que no es muy útil, a una especial que podría ser útil para la próxima generación de dispositivos de almacenamiento de información», dice el coautor del artículo, Songsong Zhou, investigador postdoctoral. en la Escuela de Artes y Ciencias.
Puedes leer más sobre este avance en Penn Today.
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