Поиск сверхмаломощного транзистора
29.10.2010
Современный транзистор похож на протекающий водопроводный кран.
Федеральная политехническая школа Лозанны (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, EPFL) и корпорация IBM объявили о реализации важной исследовательской инициативы, в рамках которой ведущие европейские исследовательские организации объединят свои усилия для решения такой серьезной проблемы, как значительное увеличение объемов электроэнергии, потребляемой различными электронными устройствами. Целью исследовательского проекта Steeper является десятикратное повышение энергоэффективности этих устройств в активном режиме и практически нулевое потребление электроэнергии в пассивном или ждущем режиме.
Участниками этого проекта, координируемого EPFL, являются ведущие научно- исследовательские организации, в том числе компании IBM Research-Zurich, Infineon и Global Foundries, Лаборатория электроники и информационных технологий при Французской комиссии по атомной энергетике (CEA-LETI), Исследовательский центр в Юлихе (Forschungszentrum Julich), Болонский, Дортмундский, Удинский и Пизанский университеты, а также компания SCIPROM, которая будет обеспечивать управление проектом.
Участники проекта будут применять свои экспертные знания и опыт при изучении возможностей использования туннельных полевых транзисторов (tunnel field effect transistor, TFET) и полупроводниковых нанотрубок для повышения энергоэффективности электронных устройств. Современный транзистор похож на протекающий водопроводный кран — даже если его полностью закрыть, вода продолжает капать. Исследователи надеются не только уменьшить эту утечку с использованием нового метода более плотного «закрытия крана», то есть затвора транзистора, но и обеспечить открытие и закрытие затвора при меньшем «повороте крана», то есть электрическом напряжении.
По данным Международного агентства по энергетике (International Energy Agency, IEA), в настоящее время 15% всей потребляемой в домохозяйствах электроэнергии приходится на электронные устройства. По прогнозам, объемы электроэнергии, потребляемой информационно-коммуникационными системами и потребительской электроникой, к 2022 году удвоятся, а к 2030 году утроятся до 1700 терраватт-часов. Это эквивалентно суммарному энергопотреблению всех американских и японских семей в 2009 году.
Особенно расточительным кажется значительное потребление электроэнергии устройствами в режиме ожидания. По оценкам, на этот режим приходится десятая часть всего потребления электроэнергии в домах и офисах стран Европейского Союза. По прогнозам, к 2020 году потребление электроэнергии устройствами в режиме ожидания/выключенном состоянии возрастет до 49 тераватт-часов в год — что сопоставимо с годовым потреблением электроэнергии в Австрии, Чехии и Португалии вместе взятых.
Разработка таких устройств, как транзисторы с большой крутизной (steep slope), давших название проекту, может обеспечить значительно более быстрый переход между отключенным и включенным состояниями, в сравнении с полевымо МОП-транзистором (MOSFET). Одновременно это позволит сократить подпороговую утечку и снизить рабочее напряжение.
Участники проекта будут изучать возможности разработки так называемых туннельных полевых транзисторов на базе кремниевых (Si), кремний-германиевых (SiGe) и III-V полупроводниковых нанотрубок. Нанотрубки — это цилиндрические структуры диаметром в несколько нанометров (нм), обеспечивающие оптимальный электростатический контроль транзисторного канала. В TFET-транзисторах для включения используется квантово-механическое туннелирование, и тем самым достигаются более крутые характеристики включения, в сравнении с обычными MOSFET-транзисторами.
В ходе проекта Steeper будут оцениваться физические и практические ограничения повышения эффективности с использованием TFET-транзисторов с нанотрубками на базе полупроводников III-V и соответствующие преимущества для энергоэффективных цифровых микросхем будущего.
Проект, начатый в июне 2010 года, рассчитан на 36 месяцев.