Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà khoa học đưa ra một giải pháp cho mức tối thiểu vật lý tiếp cận nhanh đối với kích thước bóng bán dẫn: một bóng bán dẫn logic đa giá trị dựa trên oxit kẽm có khả năng hai trạng thái trung gian ổn định trong khoảng từ 0 đến 1.
Máy tính và các thiết bị điện tử tương tự đã nhanh hơn và nhỏ hơn trong nhiều thập kỷ khi các nhà sản xuất chip máy tính đã học cách thu nhỏ các bóng bán dẫn riêng lẻ và các công tắc điện nhỏ truyền tải thông tin kỹ thuật số.
Sự theo đuổi của các nhà khoa học về bóng bán dẫn nhỏ nhất có thể đã cho phép nhiều trong số chúng được đóng gói trên mỗi chip. Nhưng cuộc đua xuống đáy gần như đã kết thúc: Các nhà nghiên cứu đang nhanh chóng tiếp cận mức tối thiểu vật lý cho kích thước bóng bán dẫn, với các mô hình gần đây xuống khoảng 10 nanomet – hoặc chỉ rộng 30 nguyên tử.
Sức mạnh xử lý của các thiết bị điện tử đến từ hàng trăm triệu, hoặc hàng tỷ bóng bán dẫn được kết nối với nhau trên một con chip máy tính. Nhưng các nhà khoa học đang nhanh chóng tiếp cận các giới hạn thấp hơn của quy mô.
Để mở rộng nhiệm vụ cho tốc độ xử lý nhanh hơn, ngành vi điện tử đang tìm kiếm các công nghệ thay thế. Nghiên cứu của Cho, được công bố trực tuyến vào ngày 30 tháng 4 trên tạp chí Nature Communications , có thể đưa ra một giải pháp bằng cách mở rộng vốn từ vựng của bóng bán dẫn.
Các bóng bán dẫn thông thường có thể truyền tải hai giá trị thông tin: Là một công tắc, một bóng bán dẫn được bật hoặc tắt và chuyển thành ngôn ngữ 1 và 0 của ngôn ngữ nhị phân.
Một cách để tăng công suất xử lý mà không cần thêm nhiều bóng bán dẫn sẽ là tăng lượng thông tin mà mỗi bóng bán dẫn truyền tải bằng cách đưa ra các trạng thái trung gian giữa trạng thái bật và tắt của thiết bị nhị phân. Một cái gọi là bóng bán dẫn logic đa giá trị dựa trên nguyên tắc này sẽ cho phép nhiều hoạt động hơn và một lượng thông tin lớn hơn được xử lý trong một thiết bị.
Khái niệm về bóng bán dẫn logic đa giá trị không phải là mới và đã có nhiều nỗ lực để chế tạo các thiết bị như vậy.
Thông qua lý thuyết, thiết kế và mô phỏng, nhóm của Cho tại UT Dallas đã phát triển vật lý cơ bản của một bóng bán dẫn logic đa giá trị dựa trên oxit kẽm. Các cộng tác viên của họ ở Hàn Quốc đã chế tạo thành công và đánh giá hiệu suất của một thiết bị nguyên mẫu.
Thiết bị của Cho có khả năng hai trạng thái trung gian ổn định và đáng tin cậy điện tử trong khoảng từ 0 đến 1, tăng số lượng giá trị logic trên mỗi bóng bán dẫn từ hai lên ba hoặc bốn.
Cho cho biết nghiên cứu mới này có ý nghĩa không chỉ bởi vì công nghệ này tương thích với các cấu hình chip máy tính hiện tại, mà còn bởi vì nó có thể thu hẹp khoảng cách giữa máy tính ngày nay và máy tính lượng tử, bước ngoặt tiềm năng trong sức mạnh tính toán.
Trong khi một máy tính thông thường sử dụng các giá trị chính xác của 1 và 0 để tính toán, các đơn vị logic cơ bản của máy tính lượng tử sẽ trôi chảy hơn với các giá trị có thể tồn tại dưới dạng kết hợp của 1 và 0 cùng một lúc hoặc bất kỳ nơi nào ở giữa. Mặc dù chúng chưa được hiện thực hóa về mặt thương mại, máy tính lượng tử quy mô lớn được lý thuyết hóa để có thể lưu trữ nhiều thông tin hơn và giải quyết một số vấn đề nhanh hơn nhiều so với máy tính hiện tại.
Một thiết bị kết hợp logic đa cấp sẽ nhanh hơn máy tính thông thường vì nó sẽ hoạt động với nhiều đơn vị logic nhị phân hơn. Với các đơn vị lượng tử, bạn sẽ có các giá trị liên tục.
Bóng bán dẫn là một công nghệ rất trưởng thành và máy tính lượng tử không nơi nào được thương mại hóa. Có một khoảng cách lớn. Vậy làm thế nào để chúng ta di chuyển từ cái này sang cái khác? Chúng ta cần một con đường tiến hóa, một công nghệ bắc cầu giữa mức độ tự do nhị phân và vô hạn. Công việc của chúng tôi vẫn dựa trên công nghệ thiết bị hiện có, vì vậy nó là không mang tính cách mạng như điện toán lượng tử nhưng nó đang phát triển theo hướng đó.
Công nghệ Cho và các đồng nghiệp đã phát triển sử dụng một cấu hình mới gồm hai dạng oxit kẽm kết hợp để tạo thành một lớp nano tổng hợp, sau đó được kết hợp với các lớp vật liệu khác trong một siêu mạng.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng họ có thể đạt được vật lý cần thiết cho logic đa giá trị bằng cách nhúng các tinh thể oxit kẽm được gọi là chấm lượng tử vào oxit kẽm vô định hình. Các nguyên tử bao gồm một chất rắn vô định hình không được sắp xếp một cách cứng nhắc như chúng ở trong chất rắn kết tinh.
Bằng cách thiết kế vật liệu này, chúng tôi thấy rằng chúng tôi có thể tạo ra một cấu trúc điện tử mới cho phép hành vi logic đa cấp này. Oxit kẽm là một vật liệu nổi tiếng có xu hướng hình thành cả chất rắn tinh thể và chất rắn vô định hình, vì vậy nó là một lựa chọn rõ ràng để bắt đầu nhưng nó có thể không phải là vật liệu tốt nhất. Bước tiếp theo của chúng tôi sẽ xem xét hành vi này phổ biến như thế nào. trong số các vật liệu khác khi chúng tôi cố gắng tối ưu hóa công nghệ.
Tiến sĩ Jiyoung Kim, giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu tại UT Dallas, và Tiến sĩ Jeongwoon Hwang, cựu nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Cho hiện tại Đại học Quốc gia Chonnam, Hàn Quốc, là đồng tác giả của bài báo Truyền thông Tự nhiên , cùng với các nhà nghiên cứu tại các trường đại học Hàn Quốc: Đại học Hanyang, Viện Khoa học và Công nghệ Gwangju, Đại học Yonsei, Đại học Kookmin và Viện Khoa học và Công nghệ Quốc gia Ulsan.
Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Quỹ nghiên cứu quốc gia Hàn Quốc.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Texas tại Dallas . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :