Учёные научились изменять проводимость транзисторов с электронной на дырочную и обратно «на лету»

Исследователи из Венского технологического университета (TU Wien) представили набор базовых логических схем на реконфигурируемых транзисторах (RFET). Проводимость транзисторов RFET можно менять в любое время, что открывает путь к адаптивной логике вплоть до тонкой подстройки самообучающихся процессоров.

Источник изображения: TU Wien

Учёные из Австрии разработали базовый подход к созданию RFET ещё три года назад. Сегодня они впервые показали, что транзисторы с изменяемой проводимостью могут работать в составе базовых логических схем, и их логика может меняться по команде.

Сегодня проводимость транзисторов — электронная или дырочная — закладывается в процессе обработки кремниевых пластин на этапе легирования. Это химико-физическое внесение тех или иных примесей в транзисторные каналы, которые делают их либо избыточно насыщенными электронами, либо электронными вакансиями — дырками. Тем самым в канале транзистора будет движение электронов или дырок, что предопределит его работу в составе электронной схемы. Представьте на минуту, что мы получаем возможность на лету поменять проводимость транзисторов. Очевидно, что схема начнёт работать по-иному.

Исследователи из Венского технологического университета предложили метод электростатического легирования. Изначально транзисторные каналы создаются нейтральными, но затем к ним может быть приложено электромагнитное поле, которое в зависимости от полярности насытит канал либо электронами, либо дырками. Для этого достаточно разместить над каналом транзисторов RFET один дополнительный электрод — его учёные назвали «программным вентилем». Правильная команда на все программные вентили перестроит транзисторы и всю логику чипа, если каждый из её транзисторов будет реконфигурируемым.

«В наших реконфигурируемых устройствах [с нелегированными полупроводниковыми каналами] мы добавляем дополнительные электроды, так называемый ”программный вентиль" поверх каждого перехода металл-полупроводник, чтобы отфильтровывать нежелательный тип носителей заряда, — поясняют разработчики из TU Wien. — При помощи второго электрода поверх полупроводникового канала, так называемого "управляющего затвора", протеканием тока через устройство управляют для включения и выключения транзистора (как в классических МОП-транзисторах)».

Учёные отдают себе отчёт, что транзистор RFET не может быть таким же маленьким, как обычный полевой транзистор. Как минимум этого не позволит дополнительный электрод в его составе. В то же время с учётом оптимизации работы логики за счёт RFET общее количество транзисторов в микросхеме может быть меньше, чем в случае универсального решения на обычных транзисторах. Наконец, реконфигурировать можно не весь процессор, а только отдельные его элементы, ответственные за какие-то специфические и непостоянные функции. В любом случае, оптимизированный чип будет меньше греться и быстрее считать.

«Наши реконфигурируемые транзисторы позволяют реконфигурировать блоки передачи информации на фундаментальном уровне, а не заниматься её передачей в стационарные функциональные блоки, — пояснил профессор факультета твердотельной электроники в Венском техническом университете Уолтер М. Вебер (Walter M. Weber). — Это означает, что природа нашего подхода является весьма перспективной для реконфигурируемых вычислений и приложений искусственного интеллекта».

Очевидно, что RFET не заменят обычные транзисторы в подавляющем большинстве решений, но в отдельных случаях изобретение может помочь в создании более передовых и функционально насыщенных чипов. В конечном итоге можно выпускать базовые «обезличенные» наборы логических схем, цепи которых будут создаваться потом по мере необходимости и в соответствии с решаемыми задачами.

Реконфигурируемые транзисторы открывают возможности для решений аппаратной безопасности, новых приложений в аналоговых схемах и достижений в области нейроморфных вычислений, делая возможным даже производство самообучающихся и адаптивных решений.