Безкремниевый транзистор: новый прорыв, который может изменить будущее чипов

• Безкремниевый транзистор Пекинского университета может превзойти лучшие кремниевые чипы Intel, TSMC и Samsung
• Полный охват затвора повышает скорость и сокращает потребление энергии благодаря прорывному китайскому дизайну транзисторов
• Возможно, Китай только что обогнал США в области производства микросхем благодаря этой инновации — транзистору без кремния

Китайские исследователи из Пекинского университета объявили о прорыве в разработке транзисторов, который, в случае коммерциализации, может кардинально изменить направление развития микропроцессоров.

Команда учёных создала транзистор без использования кремния на основе двумерного материала — оксиселенида висмута.

Инновация основана на архитектуре GAAFET (gate-all-around), при которой затвор транзистора полностью окружает исток. Традиционные конструкции FinFET, которые преобладают в современных процессорах на кремниевой основе, обеспечивают лишь частичное покрытие затвора. Такая структура с полным покрытием увеличивает площадь контакта между затвором и каналом, повышая производительность за счёт уменьшения утечек энергии и обеспечивая более эффективное управление током.

Безкремниевый транзистор; может ли это означать конец кремниевых чипов?

В статье, опубликованной в Nature Materials, предполагается, что новый 2D GAAFET может соперничать с кремниевыми транзисторами или даже превосходить их по скорости и энергоэффективности.

Исследователи утверждают, что их 2D-транзистор работает на 40% быстрее, чем последние 3-нм чипы Intel, потребляя при этом на 10% меньше энергии. По производительности он превосходит современные процессоры TSMC и Samsung.

Частичное покрытие затвора в традиционных конструкциях ограничивает управление током и увеличивает потери энергии. Новая структура с полным покрытием затвора решает эти проблемы, обеспечивая высокий коэффициент усиления по напряжению и сверхнизкое энергопотребление. Команда уже создала небольшие логические устройства с использованием новой конструкции.

«Это самый быстрый и эффективный транзистор из когда-либо существовавших», — заявили в Пекинском университете. Эти утверждения подтверждаются тестами, проведёнными в тех же условиях, что и для ведущих коммерческих чипов.

«Если инновации в области микросхем, основанные на существующих материалах, считаются «коротким путём», то наша разработка транзисторов на основе двумерных материалов — это своего рода «смена полосы движения», — сказал профессор Пэн Хайлин, ведущий научный сотрудник проекта.

В отличие от вертикальных структур FinFET, новая конструкция напоминает переплетённые мостики. Этот архитектурный сдвиг может преодолеть ограничения миниатюризации, с которыми сталкивается кремниевая технология, особенно по мере того, как отрасль приближается к 3-нм техпроцессу. Это также может быть полезно для самых быстрых ноутбуков, которым требуются такие компактные чипы.

Команда исследователей разработала два новых материала на основе висмута: Bi₂O₂Se в качестве полупроводника и Bi₂SeO₅ в качестве диэлектрика затвора.

Эти материалы отличаются низкой энергией границы раздела, уменьшая дефекты и рассеяние электронов.

«Это позволяет электронам двигаться практически без сопротивления, как воде по гладкой трубе», — объяснил Пэн.

Результаты производительности подтверждены расчётами по теории функционала плотности (DFT) и физическими испытаниями с использованием высокоточной производственной платформы в PKU.

Исследователи утверждают, что транзисторы могут быть изготовлены с использованием существующей полупроводниковой инфраструктуры, что упростит их интеграцию в будущем.