فقط 1 نانومتر، أقل استهلاك للطاقة! فريق جامعة بكين يحقق اختراقًا هامًا في مجال الشرائح

وفقًا للبيان الرسمي من كلية الإلكترونيات بجامعة بكين، حققت الجامعة تقدمًا ثوريًا في مجال الذاكرة غير المتطايرة. نجح فريق كيو تشينغوانغ-بنغ ليانماو بكلية الإلكترونيات في تقليل طول البوابة الفيزيائية للترانزستور الفوتوفولتي إلى حد 1 نانومتر، مما أدى إلى تصنيع أصغر ترانزستور فوتوفولتي من حيث الحجم وأقل استهلاكًا للطاقة حتى الآن، مع إمكانية أن يدعم بشكل رئيسي أداء شرائح الذكاء الاصطناعي وكفاءتها. نُشرت نتائج البحث ذات الصلة على الإنترنت في مجلة “العلم: التقدم”.

وفيما يلي النص الأصلي للمقال:

فريق كيو تشينغوانغ-بنغ ليانماو بكلية الإلكترونيات يطور أدنى ترانزستور فوتوفولتي في العالم من حيث استهلاك الطاقة

حققت جامعة بكين تقدمًا ثوريًا في مجال الذاكرة غير المتطايرة. اقترح فريق كيو تشينغوانغ-بنغ ليانماو لأول مرة “ترانزستور فوتوفولتي ذو بوابة نانوية منخفضة استهلاك الطاقة”. من خلال تصميم هيكل جهاز تخزين فوتوفولتي بشكل دقيق، وإدخال تأثير تعزيز مجال البوابة النانوية، تمكن الفريق من تصنيع ترانزستور فوتوفولتي يعمل بجهد منخفض جدًا يبلغ 0.6 فولت، مع تقليل استهلاك الطاقة إلى 0.45 فانتو جول/ميكرومتر، وتقليل طول البوابة الفيزيائية إلى حد 1 نانومتر، مما يجعله أصغر ترانزستور فوتوفولتي من حيث الحجم وأقل استهلاكًا للطاقة على مستوى العالم حتى الآن، ويمثل خطوة مهمة نحو بناء شرائح ذات أداء عالي في النطاق تحت 1 نانومتر وتصميم شرائح ذكاء اصطناعي عالية الأداء. يُعرف هذا الإنجاز باسم “نانوجيت ترانزستورات فوتوفولتي بجهد تشغيل منخفض جدًا يبلغ 0.6 فولت”، ونُشر على الإنترنت في مجلة “التقدم العلمي” التابعة لمجلة “العلم”.

لقطة من المقال

تُعد الأجهزة المنطقية وأجهزة التخزين من المكونات الأساسية لبناء الدوائر المتكاملة. تشكل الوحدات المنطقية “مركز العمليات والتحكم” في الشريحة، وتشكّل وحدات التخزين “مخزن البيانات”، وتسيطر على أكثر من 70% من حجم سوق الدوائر المتكاملة. في ظل قانون مور، تتطور الترانزستورات المنطقية من خلال تقنيات التصنيع الدقيقة وتكرار الهيكل، مع تحسين الأداء المستمر، حيث تم إنتاج شرائح منطقية بنطاق 2 نانومتر، وتعمل ترانزستورات CMOS عند جهد منخفض يبلغ 0.7 فولت. ومع ذلك، فإن أداء الذاكرة غير المتطايرة، خاصة تقنية فلاش، لا يزال متأخرًا نسبيًا، حيث يصعب تصغيرها إلى النطاقات المتقدمة، ويستلزم مسح البيانات في فلاش جهدًا عاليًا يزيد عن 5 فولت. لذلك، يتطلب الأمر دمج دوائر رفع وخفض الجهد بين الوحدات المنطقية وذاكرة غير متطايرة لتحقيق جهد التشغيل، مما يضيف أعباء على الحجم ويزيد من استهلاك الطاقة. والأهم من ذلك، أن الهيكلية الحديثة للشرائح الذكية تعتمد على تحسين تدفق البيانات، حيث يؤدي عدم توافق الجهد بين المنطق والذاكرة إلى تداخل غير سلس للبيانات، مما يعيق أداء شرائح الذكاء الاصطناعي ويزيد من استهلاك الطاقة بشكل كبير.

توقعات تطور جهد الشرائح المنطقية وذاكرة الترانزستور النانوية الفوتوفولتي المتوافقة مع الصناعة

يستخدم الترانزستور الفوتوفولتي مادة الفوتوفولتي لتحقيق تخزين البيانات من خلال عكس قطبية المادة، وهو تقنية واعدة في تكنولوجيا الشرائح بعد قانون مور، ويحظى باهتمام واسع من الأوساط الأكاديمية والصناعية. بفضل آلية التخزين الثنائي القطبي وبنية الترانزستور الثلاثي، يُتوقع أن يحقق تكامل غير متطاير بين التخزين والمعالجة عالية السرعة، وهو مفتاح لكسر “حائط التخزين” وتحقيق ثورة في بنية الذكاء الاصطناعي الأساسية. ومع ذلك، حتى الآن، وبسبب القيود الفيزيائية على جهد تصحيح الفوتوفولتي، يتطلب الترانزستور الفوتوفولتي التقليدي جهدًا يزيد عن 1.5 فولت لتحقيق عكس قطبية المادة ومسح البيانات. وعلى الرغم من تفوقه على تقنية فلاش، إلا أن الترانزستور الفوتوفولتي التقليدي لا يمكنه تقليل الجهد إلى أقل من 0.7 فولت، مما يصعب توافقه مع جهد المنطق. إن تحقيق تقنية تخزين بجهد أقل من 0.7 فولت هو المفتاح لكسر حائط التخزين وزيادة أداء شرائح الذكاء الاصطناعي.

الخصائص الكهربائية للترانزستور الفوتوفولتي النانوي عند جهد منخفض جدًا

في هذا العمل، اقترح فريق كيو تشينغوانغ-بنغ ليانماو لأول مرة “هيكل الترانزستور الفوتوفولتي النانوي” و"آلية تعزيز مجال البوابة النانوية". من خلال تحسين هيكل الجهاز، قاموا بتصغير حجم البوابة إلى الحد النانوي. باستخدام تأثير تجميع المجال عند طرف البوابة النانوية، أنشأوا منطقة تجمع قوية جدًا في طبقة الفوتوفولتي، مما عزز بشكل فعال شدة المجال الكهربائي المحلي، وخفض بشكل كبير جهد عكس القطبية، متجاوزين الحد الأقصى لجهد تصحيح الفوتوفولتي التقليدي، وكسروا المفهوم القائل بأنه لا يمكن الجمع بين جهد منخفض وحقول كهربائية عالية. ونتيجة لذلك، تمكنوا من تشغيل الترانزستور عند جهد منخفض جدًا يبلغ 0.6 فولت، مع تقليل جهد تخزين الفوتوفولتي إلى مستوى يتوافق مع جهد المنطق. وبلغ استهلاك الطاقة للترانزستور المطور 0.45 فانتو جول/ميكرومتر، وهو أعلى بمقدار ترتيب واحد عن التقارير الدولية الحالية، مع سرعة تخزين تقارب 1 نانوثانية. أظهرت الدراسة لأول مرة أن الترانزستور الفوتوفولتي يمتلك ميزة غير معتادة في التصغير، حيث أن تقليل طول البوابة الفيزيائية إلى 1 نانومتر يعزز بشكل ملحوظ المجال الكهربائي، مما يحسن خصائص التخزين الفوتوفولتي بشكل كبير، مما يدل على أن الذاكرة الفوتوفولتي لديها مزايا واضحة لبناء شرائح ما بعد النانومتر.

تحليل آلية استهلاك الطاقة المنخفض جدًا للترانزستور الفوتوفولتي النانوي

(المصدر: شركة المالية والصحافة)