Chiny pokazują najmniejszy tranzystor ferroelektryczny na świecie. Koniec marnowania energii na AI

Zespół badaczy z Uniwersytet Pekiński oraz Chińska Akademia Nauk ogłosili opracowanie najmniejszego na świecie tranzystora ferroelektrycznego. Nowa konstrukcja typu „nanogate” osiąga długość bramki rzędu 1 nanometra i pracuje przy napięciu 0,6 V. Wyniki opisano na łamach Science Advances.

Badacze twierdzą, że przełamali jedno z kluczowych ograniczeń współczesnej elektroniki: rozbieżność napięciową między układami logicznymi a pamięcią nieulotną. W kontekście systemów sztucznej inteligencji problem ten przekłada się na ogromne koszty energetyczne związane z transferem danych.

Wąskie gardło energetyczne w układach AI

Nowoczesne układy logiczne pracują zwykle przy napięciu około 0,7 V. Tymczasem popularne pamięci nieulotne, w tym NAND flash, wymagają podczas zapisu napięć rzędu 5 V lub wyższych. Nawet wcześniejsze tranzystory ferroelektryczne typu FeFET potrzebowały ponad 1,5 V.

Taka różnica wymusza stosowanie dodatkowych obwodów podwyższających napięcie. Każdy z tych elementów zajmuje miejsce na chipie i generuje straty energii. W typowych akceleratorach AI od 60 do 90 procent całkowitego poboru mocy przypada na przesyłanie danych między pamięcią a logiką. Same operacje obliczeniowe stanowią jedynie część bilansu energetycznego.

Rosnąca skala modeli językowych i systemów wnioskowania sprawia, że problem staje się coraz bardziej dotkliwy. W centrach danych przekłada się to na koszty zasilania i chłodzenia, w urządzeniach brzegowych na ograniczenia czasu pracy na baterii.

Nanorurki węglowe jako bramka przyszłości

Zespół kierowany przez Qiu Chenguanga i Peng Lianmao zastosował metaliczne, jednościenne nanorurki węglowe jako elektrody bramkowe. Taka struktura działa jak nanokońcówka, koncentrując pole elektryczne w bardzo małym obszarze. Skupienie pola pozwala wzmocnić sprzężenie między warstwą ferroelektryczną a kanałem przewodzącym.

Efektem jest możliwość przełączania stanu polaryzacji przy napięciu 0,6 V. Wartość ta mieści się poniżej typowego napięcia logicznego stosowanego w nowoczesnych procesorach. Jednocześnie konstrukcja zachowuje odporność na efekty krótkiego kanału, które przy tak małych wymiarach stanowią poważne wyzwanie technologiczne.

1 nanometr i parametry klasy high-end

Nowe tranzystory FeFET wykorzystują kanał z dwusiarczku molibdenu, znanego jako MoS2. Materiał ten od lat jest badany jako kandydat do zastosowań w elektronice dwuwymiarowej.

Prototypowe urządzenia osiągnęły współczynnik prądu włączenia do wyłączenia na poziomie 2 milionów oraz czas programowania wynoszący 1,6 nanosekundy. Parametry te plasują konstrukcję w czołówce eksperymentalnych pamięci ferroelektrycznych.

Najistotniejszy pozostaje jednak aspekt kompatybilności napięciowej. Ujednolicenie poziomu napięć między pamięcią a jednostką logiczną pozwala zrezygnować z przetwornic. Otwiera to drogę do bardziej zwartych i energooszczędnych architektur.

Impuls dla edge AI i urządzeń noszonych

Autorzy podkreślają, że zaproponowana zasada działania może zostać zastosowana w połączeniu z powszechnie używanymi materiałami ferroelektrycznymi i jest zgodna ze standardowymi procesami przemysłowymi. Jeśli technologia przejdzie etap komercjalizacji, może znaleźć zastosowanie w akceleratorach AI, systemach wnioskowania na brzegu sieci oraz w elektronice ubieralnej.

Wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na lokalne przetwarzanie danych potrzeba obniżania zużycia energii staje się jednym z głównych kierunków rozwoju półprzewodników. Nanogate wpisuje się w ten trend, oferując alternatywę dla tradycyjnych struktur tranzystorowych. Przed badaczami pozostaje etap skalowania technologii i integracji z istniejącymi procesami produkcyjnymi. Jeśli jednak 1-nanometrowa bramka ferroelektryczna trafi do seryjnych układów, może zmienić sposób projektowania systemów pamięci i logiki w erze sztucznej inteligencji.