O novo transistor baseado em bismuto pode revolucionar o design de chips, oferecendo maior eficiência e ignorando as limitações do silício.
Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Pequim afirma ter feito um avanço na tecnologia de chips, potencialmente remodelando a corrida dos semicondutores.
Dizem que seu transistor 2D recém-desenvolvido é 40% mais rápido do que os últimos chips de silício de 3 nanômetros da Intel e da TSMC, consumindo 10% menos energia. Essa inovação, eles dizem, pode permitir que a China contorne completamente os desafios da fabricação de chips baseados em silício.
“É o transistor mais rápido e eficiente de todos os tempos”, de acordo com uma declaração oficial publicada na semana passada no site da PKU.
Liderada pelo professor de físico-química Peng Hailin, a equipe de pesquisa acredita que sua abordagem representa uma mudança fundamental na tecnologia de semicondutores.
“Se inovações em chips baseadas em materiais existentes são consideradas um 'atalho', então nosso desenvolvimento de transistores baseados em materiais 2D é semelhante a uma 'mudança de faixa'”, disse Peng no comunicado.
Superando as barreiras dos semicondutores
O avanço da equipe chinesa gira em torno de um transistor baseado em bismuto que supera os chips comerciais mais avançados da Intel, TSMC, Samsung e do Centro Interuniversitário de Microeletrônica da Bélgica.
Ao contrário dos transistores tradicionais baseados em silício, que enfrentam dificuldades com miniaturização e eficiência energética em escalas extremamente pequenas, este novo design oferece uma solução sem essas restrições.
De acordo com Peng, embora as sanções lideradas pelos EUA tenham restringido o acesso da China aos transistores de silício mais avançados, as limitações também levaram os pesquisadores chineses a explorar soluções alternativas.
“Embora esse caminho nasça da necessidade devido às sanções atuais, ele também força os pesquisadores a encontrar soluções a partir de novas perspectivas”, acrescentou.
O estudo descreve como a equipe desenvolveu um gate-all-around field-effect transistor (GAAFET) usando materiais baseados em bismuto. Este design é um afastamento significativo da estrutura Fin Field-Effect Transistor (FinFET), que tem sido o padrão da indústria desde que a Intel o comercializou em 2011.
Uma nova era para a tecnologia de chips
As limitações dos chips baseados em silício se tornaram cada vez mais evidentes à medida que a indústria tenta empurrar a densidade de integração além de 3 nanômetros. A nova estrutura GAAFET elimina a necessidade da “aleta” usada em projetos FinFET, aumentando a área de contato entre o gate e o canal.
Os pesquisadores compararam essa mudança à troca de edifícios altos por pontes conectadas, facilitando a movimentação dos elétrons, conforme relatado pelo South China Morning Post .
Para otimizar ainda mais o desempenho, os pesquisadores recorreram a materiais semicondutores 2D. Esses materiais têm uma espessura atômica uniforme e maior mobilidade em comparação ao silício, tornando-os uma alternativa viável para chips de próxima geração . No entanto, tentativas anteriores de usar materiais 2D em transistores enfrentaram desafios estruturais que limitaram sua eficácia.
A equipe da PKU superou esses obstáculos ao projetar seus próprios materiais baseados em bismuto, especificamente Bi2O2Se e Bi2SeO5, que servem como semicondutor e material de óxido de alto dielétrico, respectivamente. A alta constante dielétrica desses materiais reduz a perda de energia, minimiza os requisitos de tensão e aumenta o poder de computação, ao mesmo tempo em que reduz o consumo de energia.
Os pesquisadores fabricaram seus transistores experimentais usando a plataforma de processamento de alta precisão da PKU.
Os resultados foram validados usando cálculos da teoria do funcional da densidade (DFT), que confirmaram que a interface do material Bi2O2Se/Bi2SeO5 tinha menos defeitos e fluxo de elétrons mais suave do que as interfaces de óxido-semicondutor existentes.
“Isso reduz a dispersão de elétrons e a perda de corrente, permitindo que os elétrons fluam com quase nenhuma resistência, semelhante à água se movendo por um cano liso”, explicou Peng.
Com transistores baseados nessa tecnologia capazes de rodar 1,4 vezes mais rápido do que os chips mais avançados baseados em silício a 90% de seu consumo de energia, a equipe da PKU agora está trabalhando para aumentar a produção. Eles já construíram pequenas unidades lógicas usando os novos transistores, demonstrando alto ganho de tensão em tensões operacionais ultrabaixas.
“Este trabalho demonstra que os GAAFETs 2D apresentam desempenho e eficiência energética comparáveis aos transistores comerciais baseados em silício, tornando-os um candidato promissor para o próximo nó tecnológico”, escreveu Peng no artigo de pesquisa.
O estudo foi publicado na revista Nature Materials .
Fonte: interestingengineering
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