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Nuevo estándar para la eficiencia energética en transistores

Un nuevo tipo de tecnología basada en materiales semiconductores 2D que es casi tan eficiente en energía como el cerebro humano ha establecido un nuevo estándar para los transistores.

Los teléfonos inteligentes, los ordenadores portátiles y otros dispositivos conectados consumen grandes cantidades de energía, sin embargo, solo alrededor de la mitad de esta energía se usa para alimentar funciones importantes. Y con miles de millones de estos dispositivos en uso en todo el mundo, se desperdicia una cantidad significativa de energía. El profesor Adrian Ionescu y su equipo en el Laboratorio de Dispositivos Nanoelectrónicos de EPFL (Nanolab) han lanzado una serie de proyectos de investigación para hacer que los transistores sean más eficientes energéticamente.

«El transistor es el objeto artificial más abundante jamás creado por los humanos«, dice el profesor Ionescu.

Permite toda nuestra infraestructura computacional y la forma en que interactuamos en tiempo real con el procesamiento de información portátil en el siglo XXI. Forma el componente básico para el procesamiento de señales digitales y analógicas«.

La eficiencia energética importa en un transistor

«Hoy, sabemos que el cerebro humano consume aproximadamente la misma cantidad de energía que una bombilla de 20 vatios«, dice Ionescu. “A pesar de consumir tan poca energía, nuestro cerebro es capaz de realizar tareas que son varios órdenes de magnitud más complejas de lo que una computadora puede manejar: analizar la información proporcionada por nuestros sentidos y generar procesos inteligentes de toma de decisiones. Nuestro objetivo es diseñar tecnología electrónica para dispositivos portátiles que sea similar en eficiencia a las neuronas humanas«. El transistor construido por los investigadores de EPFL eleva el listón de la eficiencia energética. Desarrollado en la sala limpia de la Escuela de Ingeniería (STI), comprende capas 2D de diselenuro de tungsteno (WSe2) y diselenuro de estaño (SnSe2), dos materiales semiconductores. Conocido como un transistor de túnel 2D / 2D, explota la alineación de banda de la unión de la puerta WSe2 / SnSe2. Y debido a que mide solo unos pocos nanómetros, es invisible para el ojo humano.

Como parte del mismo proyecto de investigación, el equipo de Nanolab también diseñó una nueva estructura híbrida de transporte dual que algún día podría impulsar aún más el rendimiento de la tecnología.

 

Rompiendo límites con un túnel

Con este transistor, el equipo de EPFL también ha roto uno de los límites fundamentales de los dispositivos electrónicos. «Piense en un transistor como un interruptor que requiere energía para encenderse y apagarse«, explica Ionescu. “Por analogía, imagina cuánta energía se necesitaría para subir a la cima de una montaña suiza y descender al siguiente valle. Luego piense cuánta energía podríamos ahorrar al hacer un túnel a través de la montaña. Esto es exactamente lo que logra nuestro transistor de túnel 2D / 2D: realiza la misma función digital utilizando mucha menos energía”. Hasta ahora, los científicos e ingenieros no habían logrado romper este límite fundamental de consumo de energía para componentes 2D / 2D de este tipo. Pero el nuevo transistor cambia todo eso, estableciendo un nuevo estándar para la eficiencia energética en el proceso de conmutación digital. El equipo de Nanolab trabajó con el grupo dirigido por el profesor Mathieu Luisier en ETH Zurich para probar y confirmar las propiedades del nuevo transistor de túnel mediante simulación atomística. «Esta es la primera vez que superamos este límite fundamental, al mismo tiempo que alcanzamos un rendimiento más alto que un transistor estándar hecho del mismo material semiconductor 2D y con un suministro de voltaje muy bajo«, dice el profesor Ionescu.

Un transistor útil desde wearables hasta AI

Esta nueva tecnología podría usarse para construir sistemas electrónicos que sean casi tan eficientes energéticamente como las neuronas en nuestro cerebro. «Nuestras neuronas operan a alrededor de 100 milivoltios (mV), o aproximadamente 10 veces menos que el voltaje suministrado por una batería estándar«, dice el profesor Ionescu. «Nuestra tecnología actualmente opera a 300 mV, lo que la hace alrededor de 10 veces más eficiente que un transistor convencional«. Ningún otro componente electrónico existente hoy se acerca a este nivel de eficiencia.

Este avance tan esperado tiene aplicaciones potenciales en dos áreas: tecnologías portátiles (como relojes y ropa inteligentes) y chips para AI de última generación. Pero convertir esta prueba de concepto de laboratorio en un producto industrial aún requerirá varios años más de duro trabajo.

Más información: Nicolò Oliva et al. WSe2/SnSe2 vdW heterojunction Tunnel FET with subthermionic characteristic and MOSFET co-integrated on same WSe2 flake, npj 2D Materials and Applications (2020). DOI: 10.1038/s41699-020-0142-2

 

Fuente: EPFL