Un semiconductor ferroeléctrico a nanoescala podría impulsar la IA y la computación posterior a la Ley de Moore en un teléfono
por Staff Writers
Ann Arbor MI (SPX) 07 de febrero de 2023
Los semiconductores ferroeléctricos son candidatos para unir la computación convencional con las arquitecturas de próxima generación, y ahora un equipo de la Universidad de Michigan los ha fabricado con un grosor de solo cinco nanómetros, un lapso de solo 50 átomos.
Esto allana el camino para integrar tecnologías ferroeléctricas con componentes convencionales utilizados en computadoras y teléfonos inteligentes, ampliando la inteligencia artificial y las capacidades de detección. También podrían habilitar dispositivos sin batería, cruciales para el Internet de las cosas (IoT) que impulsa los hogares inteligentes, identifica problemas con los sistemas industriales y alerta a las personas sobre riesgos de seguridad, entre otras cosas.
El estudio en Applied Physics Letters fue seleccionado como elección del editor.
“Esto permitirá la realización de dispositivos ultraeficientes, de consumo ultrabajo y totalmente integrados con semiconductores convencionales”, dijo Zetian Mi, profesor de ingeniería eléctrica e informática de la UM y coautor del estudio. "Esto será muy importante para los futuros dispositivos relacionados con la IA y el IoT".
Los semiconductores ferroeléctricos se destacan de los demás porque pueden soportar una polarización eléctrica, como la versión eléctrica del magnetismo. Pero a diferencia de un imán de nevera, pueden cambiar qué extremo es positivo y cuál es negativo. Esta propiedad se puede utilizar de muchas maneras, incluida la detección de vibraciones luminosas y acústicas, así como su recolección para obtener energía.
“Estos dispositivos ferroeléctricos podrían ser autoalimentados”, dijo Mi. "Pueden recolectar energía ambiental, lo cual es muy emocionante".
Y ofrecen una forma diferente de almacenar y procesar información tanto clásica como cuántica. Por ejemplo, los dos estados de polarización eléctrica pueden servir como uno y cero en computación. Esta forma de computación también puede emular las conexiones entre neuronas, lo que permite tanto el almacenamiento de memoria como el procesamiento de información en el cerebro. Conocida como computación neuromórfica, este tipo de arquitectura es ideal para admitir algoritmos de IA que procesan información a través de redes neuronales.
Almacenar energía como polarización eléctrica requiere menos energía que los capacitores en la RAM, que consumen energía constantemente o pierden los datos que almacenan, e incluso podrían durar más que un SSD. Este tipo de memoria podría estar más densamente empaquetada, aumentando la capacidad, además de ser más robusta para entornos hostiles que incluyen temperaturas extremas, humedad y radiación.
El equipo de Mi había demostrado previamente el comportamiento ferroeléctrico en un semiconductor hecho de nitruro de aluminio enriquecido con escandio, un metal que a veces se usa para fortalecer el aluminio en bicicletas de alto rendimiento y aviones de combate. Sin embargo, para usarlo en dispositivos informáticos modernos, necesitaban poder hacerlo en películas más delgadas de 10 nanómetros, o del grosor de aproximadamente 100 átomos.
Lo lograron con una técnica llamada epitaxia de haz molecular, el mismo enfoque utilizado para fabricar cristales semiconductores que impulsan los láseres en los reproductores de CD y DVD. En una máquina con fuertes vibraciones steampunk, pudieron colocar un cristal de 5 nanómetros de espesor, la escala más pequeña jamás lograda. Hicieron esto controlando con precisión cada capa de átomos en el semiconductor ferroeléctrico, así como minimizando las pérdidas de átomos de la superficie.
"Al reducir el grosor, demostramos que existe una alta posibilidad de que podamos reducir el voltaje de operación", dijo Ding Wang, científico investigador en ingeniería eléctrica e informática y primer autor del estudio. “Esto significa que podemos reducir el tamaño de los dispositivos y reducir el consumo de energía durante el funcionamiento”.
Además, la fabricación a nanoescala mejora la capacidad de los investigadores para estudiar las propiedades fundamentales del material, descubriendo los límites de su rendimiento en tamaños pequeños y posiblemente abriendo el camino a su uso en tecnologías cuánticas debido a sus propiedades ópticas y acústicas inusuales.
"Con esta delgadez, realmente podemos explorar las minúsculas interacciones físicas", dijo Ping Wang, científico investigador de la UM en ingeniería eléctrica e informática. “Esto nos ayudará a desarrollar futuros sistemas cuánticos y dispositivos cuánticos”.
La investigación está financiada por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa.
Informe de investigación:Espesor reducido a 5 nm de ScAlN ferroeléctrico en molibdeno compatible con CMOS cultivado por epitaxia de haz molecular
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- Fuente: https://www.spacedaily.com/reports/Nanoscale_ferroelectric_semiconductor_could_power_AI_and_post_Moores_Law_computing_on_a_phone_999.html
