Два в одном: транзистор превратили в элемент памяти

Новый элемент объединяет функции транзистора и ячейки памяти.

Фото Purdue University/Vincent Walter.

Устройство оперативной памяти обычного компьютера состоит не только из транзисторов, но и из конденсаторов. Теперь инженеры нашли способ обойтись только транзисторами. Это позволит увеличить число транзисторов на микросхеме, а вместе с ним и производительность компьютеров.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature Electronics группой во главе с Пэйдэ Е (Peide Ye) из Университета Пердью в США.

Напомним, что оперативное запоминающее устройство обычного компьютера (DRAM) хранит информацию в виде электрических зарядов на обкладках микроскопических конденсаторов. К каждому конденсатору прилагается транзистор, который контролирует доступ к обкладкам, позволяя конденсатору либо зарядиться/разрядиться, либо изолируя его. Впрочем, это не идеальная изоляция, так что заряд на обкладках приходится обновлять несколько раз в секунду (на что и уходит большая часть потребляемой памятью энергии).

В последние годы всё больше распространяются элементы памяти, использующие сегнетоэлектрики (FRAM). Это материалы, обладающие способностью запоминать напряжённость электрического поля. Величина и направление поля внутри сегнетоэлектрика зависит не только от того, какое поле вокруг него в данный момент, но и от того, каким внешнее поле было прежде. Элементы FRAM-памяти, в отличие от обычных, энергонезависимы. Они не требуют постоянной "подпитки", и информация не сотрётся, если случайно отключить питание компьютера. Однако FRAM-ячейки тоже состоят из компонентов двух типов: собственно запоминающей части и управляющего ею транзистора.

При этом для элементов каждого типа требуется место на микросхеме, а от их количества зависит производительность устройства. Впечатляющий рост вычислительной мощности компьютеров в последние десятилетия происходил за счёт того, что инженеры находили способы сделать элементы всё меньше и меньше по размеру и тем самым вместить на чип большее их количество. Однако их габариты уже сейчас сравнимы с атомными, и, похоже, дальше их уменьшать уже не получится.

Альтернативный путь состоит в том, чтобы избавиться от конденсаторов или аналогичных компонентов, полностью передав функцию памяти транзисторам. В этом случае для них на микросхеме останется больше места. Разработчики "железа" снова получат возможность создать ещё более мощный компьютер, а разработчики программ – ещё более требовательный софт, чтобы пользователи опять не заметили прогресса.

Кстати, о транзисторах. В них тоже часто применяются сегнетоэлектрики. Правда, эти материалы в данном случае выступают в качестве изолирующего материала для затвора (большинство сегнетоэлектриков так плохо проводят электрический ток, что могут использоваться в качестве изолятора). Затвор – это элемент, который управляет проводимостью транзистора. По текущей проводимости последнего можно определить, какое электрическое поле запомнил материал затвора. Поэтому такой транзистор, в принципе, тоже можно использовать как энергонезависимый элемент памяти, но время хранения информации в нём ничтожно.

Инженеры десятилетиями пытались создать транзистор, который был бы полноценным элементом памяти. Проблема в том, что транзистор обязан иметь в своём составе полупроводник (обычно используется кремний), а большинство сегнетоэлектриков, как уже говорилось, представляют собой изоляторы. Кроме того, на границе между двумя материалами возникают вредные физические эффекты, которые никак не удавалось свести на нет.

Авторы новой разработки нашли изящное решение.

"Мы использовали полупроводник, который обладает сегнетоэлектрическими свойствами. Таким образом, два материала становятся одним материалом, и вам не нужно беспокоиться о проблемах их взаимодействия", – говорит Е.

Этот удивительный материал — селенид альфа-индия (α-In2Se3). Это полупроводник, который имеет сегнетоэлектрические свойства при комнатной температуре и сохраняет их даже в слое из нескольких атомов, что позволяет создавать из него очень тонкие транзисторы.

В новом устройстве из сегнетоэлектрика изготовлен не изолятор затвора, как у обычных транзисторов, а сам проводящий канал толщиной около 10 нанометров. В качестве же изолятора затвора инженеры использовали слой оксида гафния (HfO2) толщиной 15 нанометров.

Такой транзистор, как показали эксперименты, сопоставим по характеристикам с традиционными аналогами и при этом может служить запоминающим устройством.

Правда, он существенно толще самых продвинутых из своих кремниевых "собратьев" (сегодня уже ведутся эксперименты с транзисторами толщиной 5 нанометров). Впрочем, речь пока идёт об опытном образце, а не о промышленном стандарте, так что новому элементу, возможно, ещё предстоит похудеть. Но вот стоимость селенида альфа-индия наверняка окажется выше, чем у традиционного кремния.

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о первом полноценном микропроцессоре из углеродных нанотрубок и об оптической электронике, которая может конкурировать с кремниевой.