По словам ученых, новый транзистор может быть интегрирован в чипы, которые в один прекрасный день смогут работать на 40 % быстрее, чем лучшие из существующих кремниевых процессоров, производимых такими американскими компаниями, как Intel. Об этом говорится в сообщении South China Morning Post (SCMP).

Несмотря на столь значительное увеличение мощности, исследователи утверждают, что такие чипы будут потреблять на 10 % меньше энергии. Свои выводы ученые изложили в новом исследовании, опубликованном 13 февраля в журнале Nature.

Ведущий автор исследования Хайлин Пенг, профессор химии Пекинского университета (PKU) в Китае, рассказал SCMP: «Если инновации в области чипов на основе существующих материалов считаются «коротким путем», то наша разработка транзисторов на основе двумерных материалов сродни «смене полосы движения».

Новый вид бескремниевых транзисторов

Увеличение эффективности и производительности стало возможным благодаря уникальной архитектуре чипа, говорится в статье ученых, а именно созданному ими новому двумерному бескремниевому транзистору. Этот транзистор представляет собой полевой транзистор с целым затвором (GAAFET). В отличие от предыдущих ведущих конструкций транзисторов, таких как полевой транзистор с ребрами (FinFET), транзистор GAAFET охватывает источники с затвором со всех четырех сторон, а не только с трех.

На самом базовом уровне транзистор — это полупроводниковый прибор, который есть в каждом компьютерном чипе. У каждого транзистора есть исток, затвор и сток, которые позволяют транзистору работать как переключатель.

С помощью затвора транзистор управляет током между выводами истока и стока и может работать как переключатель и усилитель. Обертывание затвора вокруг всех сторон истока (или истоков, поскольку некоторые транзисторы содержат их несколько) — вместо трех, как в обычных транзисторах, — приводит к потенциальному улучшению как производительности, так и эффективности.

Это связано с тем, что полностью обернутый источник обеспечивает лучший электростатический контроль (так как меньше потерь энергии на разряды статического электричества) и потенциал для более высоких токов и более быстрого времени переключения.

Хотя архитектура GAAFET сама по себе не нова, использование командой PKU оксиселенида висмута в качестве полупроводника, а также тот факт, что они использовали его для создания «атомарно тонкого» двумерного транзистора.

Двухмерные висмутовые транзисторы менее хрупкие и более гибкие, чем традиционные кремниевые, добавляют ученые в своем исследовании. Висмут обеспечивает лучшую подвижность носителей — скорость, с которой электроны могут перемещаться через него при приложении электрического поля. Он также имеет высокую диэлектрическую проницаемость — показатель способности материала накапливать электрическую энергию, — что способствует повышению эффективности транзистора.

Если этот транзистор будет установлен в чип, который будет работать быстрее, чем американские чипы Intel и других компаний, это позволит Китаю обойти существующие ограничения на покупку передовых чипов и выйти на американский рынок производства чипов, перейдя на совершенно другой процесс производства.

Перспективы и вызовы новой технологии

Несмотря на многообещающие результаты, внедрение нового бескремниевого транзистора в массовое производство сопряжено с рядом вызовов. Во-первых, необходимо масштабировать процесс производства до промышленных масштабов, сохраняя при этом высокую точность и контроль качества. Во-вторых, предстоит разработать совместимые производственные процессы и оборудование, поскольку существующие кремниевые фабрики не смогут напрямую производить чипы на основе оксиселенида висмута.

Влияние на глобальный рынок полупроводников

Успешная коммерциализация бескремниевых транзисторов может существенно изменить глобальный рынок полупроводников. Китай получит возможность снизить зависимость от импорта передовых чипов и укрепить свои позиции в технологической гонке. В свою очередь, американские компании, такие как Intel, будут вынуждены активизировать исследования и разработки в области новых материалов и архитектур транзисторов, чтобы сохранить конкурентоспособность.

Будущие исследования

Команда профессора Пенга планирует продолжить исследования в области двумерных материалов и архитектур транзисторов. В частности, они намерены изучить возможность использования других материалов, таких как графен и дисульфид молибдена, для дальнейшего повышения производительности и энергоэффективности чипов. Кроме того, ученые планируют разработать новые методы производства и интеграции бескремниевых транзисторов в сложные микросхемы.