'n V&A met twee wetenskaplikes wat daarop gemik is om beperkings in rekenaarkrag en energiedoeltreffendheid van elektronika te oorkom deur nuwe mikroskyfies te ontwerp.
Ons skootrekenaars en slimfone is kompak en tog kragtig vanweë silikonmikro-elektronika, ook bekend as mikroskyfies of skyfies, die klein breintjies agter die digitale krag van byna elke moderne toestel.
Maar sulke moderne gerief het 'n prys. Teen 2030, sowat 25% van die wêreld se energie – waarvan die meeste geproduseer word deur koolstofryke fossielbrandstowwe te verbrand – kan deur elektroniese toestelle verbruik word as niks gedoen word om dit meer energiedoeltreffend te maak nie.
Silikonskyfies kom van 'n ontwerp bekend as CMOS, snelskrif vir komplementêre metaal-oksied-halfgeleier. Soos Moore se wet die eerste keer in 1975 voorspel het, nader CMOS-silikonskyfies limiete in miniaturisering en werkverrigting. Wetenskaplikes is al dekades lank op soek na nuwe elektroniese materiaal wat verder gaan as die grense van Moore se wet sowel as die beperkings van silikon CMOS-skyfies.
Nou ontwerp wetenskaplikes Maurice Garcia-Sciveres en Ramamoorthy Ramesh by DOE se Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) nuwe mikroskyfies wat beter kan presteer – en minder energie benodig – as silikon. Oor die volgende drie jaar sal hulle twee van die 10 projekte onlangs lei toegeken byna $54 miljoen deur die Departement van Energie om energiedoeltreffendheid in mikro-elektroniese ontwerp en produksie te verhoog.
Hulle bespreek hul projekte in hierdie V&A.
V: Wat hoop jy om te bereik oor die volgende 3 jaar? Wat is die betekenis van jou werk?
Garcia-Sciveres: Ons projek – die “Co-Design and Integration of Nano-Sensors on CMOS” – het ten doel om werkverrigting te verbeter deur klein ligsensors gemaak met nanomateriale te integreer in 'n konvensionele CMOS (komplementêre metaal-oksied-halfgeleier) geïntegreerde stroombaan. ('n Nanomateriaal is materie wat op 'n ultraklein skaal van 'n biljoenste van 'n meter ontwerp is.)
CMOS-skyfies word van silikon gemaak, maar as jy kyk na hoeveel krag silikon gebruik, begin dit betekenisvol wees – en oor 'n dekade sal silikonskyfies 'n groot fraksie van ons energie verbruik. Byvoorbeeld, die rekenaar wat nodig is om 'n selfbesturende motor te bestuur, verbruik aansienlike energie in vergelyking met die energie wat nodig is om die motor te bestuur. Ons moet met minder energie bereken, of werkverrigting verhoog sonder meer krag, maar jy kan dit nie met silikonskyfies doen nie, want silikon moet op 'n sekere spanning loop – en daardie fisiese beperkings kos ons.
In ons projek sal nanomateriale soos koolstofnanobuise – toestelle so klein dat hulle onsigbaar is vir die blote oog – as ligsensors dien. Die nanosensors voeg nuwe funksionaliteit by 'n CMOS-skyfie, wat werkverrigting verhoog.
Waarneming is 'n goeie aanvanklike toepassing, maar wanneer dit in 'n skyfie geïntegreer is, kan die koolstofnanobuise ook dien as transistors of skakelaars wat data verwerk. Die integrasie van baie koolstofnanobuise in 'n silikonskyfie kan lei tot nuwe soorte elektroniese toestelle wat kleiner en vinniger sowel as meer energiedoeltreffend as huidige tegnologieë is.
Ramesh: In ons projek, "Co-Design of Ultra-Low-Voltage Beyond CMOS Microelectronics," beplan ons om nuwe fisiese verskynsels te verken wat sal lei tot aansienlik hoër energie-doeltreffendheid in rekenaars. Dit is belangrik omdat ons glo dat die volgende Moore se wet waarskynlik gefokus sal wees op die energieskaal en nie die lengteskaal nie, aangesien ons reeds by die grense van lengteskaal is.
In ongeveer 2015 was energieverbruik van mikro-elektronika slegs sowat 4-5% van die wêreld se totale primêre energie. Primêre energie beteken tipies die chemiese energie wat deur 'n steenkool- of aardgas-gebaseerde kragsentrale geproduseer word. Dit het tipies 'n doeltreffendheid van omskakeling na elektrisiteit van 35-40%.
Ons toenemende afhanklikheid van kunsmatige intelligensie, masjienleer en IoT – of die internet van dinge waar alles elektronies gekoppel is, soos ons verkeerstelsels, noodreaksiestelsels en hernubare energie en elektriese netwerkstelsels – sal lei tot 'n eksponensiële toename van elektronika vanuit die sisteem perspektief.
Dit beteken dat energieverbruik van mikro-elektronika teen 2030 na verwagting minstens 25% van primêre energie sal wees. Daarom is dit 'n groot probleem om elektronika meer energiedoeltreffend te maak.
Vir ons projek vra ons: "Watter fundamentele materiaalinnovasies kan die energieverbruik van mikro-elektronika aansienlik afskaal?" Ons kyk na 'n totaal ander raamwerk wat nuwe fisika ondersoek deur 'n mede-ontwerpbenadering te gebruik, waarin wêreldleidende kundiges in materiaalfisika, toestel- en stroombaanontwerp, vervaardiging en toetsing, en chip-vlak argitektuur saamwerk om te dra 'n holistiese studie van paaie na volgende generasie rekenaars.
V: Watter nuwe toepassings sal jou werk moontlik maak, en hoe sal jy hierdie nuwe vermoëns demonstreer?
Garcia-Sciveres: Ons werk sal 'n enkel-foton beeldhouer demonstreer wat die spektrum - die golflengte of energie - van elke enkele foton of ligdeeltjie wat dit bespeur, kan meet. Dit maak voorsiening vir hiperspektrale beeldvorming - dit wil sê beelde waar elke pixel in baie kleure ontbind kan word, wat baie meer inligting verskaf. Hiperspektrale beelding bevoordeel 'n wye reeks wetenskap, van kosmologie tot biologiese beelding.
Die Donker Energie Spektroskopiese Eksperiment (sensors wat vir hierdie tipe waarnemings gebruik word, werk by temperature minder as 1 graad bo Daaropvolgende samewerkende werk met navorsers by Intel het gewys hoe dit gebruik kan word om 'n nuwe klas logika-in-geheue-toestelle te skep, genaamd die MESO-toestel, wat draaie gebruik om logiese bewerkings uit te voer.
Vir een van ons projekte binne ons program, sal ons ons magneto-elektriese materiaal gebruik om multiferroiese elemente te verken wat teen 100 millivolt sal funksioneer, wat lei tot 'n aansienlike daling in energieverbruik. ('n Millivolt is 'n duisendste van 'n volt.)
Ons tweede projek ondersoek die fundamentele fisika van 'n kapasitortoestel, waarin 'n ferro-elektriese laag op 'n konvensionele silikontransistor oorgelê word om sy energiedoeltreffendheid te verbeter deur wat bekend staan as die negatiewe kapasitansie-effek. Ons ontwerp sal 'n mikro-elektroniese toestel moontlik maak wat beide geheue- en logika-funksies uitvoer - Hierdie benadering verskil radikaal van die skyfies in ons rekenaars vandag, waar een soort skyfie die logika of verwerking van data uitvoer, en 'n ander skyfie stoor data.
Die "Mede-ontwerp en integrasie van nano-sensors op CMOS"-projek is 'n samewerking tussen navorsers by Berkeley Lab, Sandia National Laboratory, en UC Berkeley. Mede-hoofondersoekers sluit in Weilun Chao, Steve Holland, Mi-Young Im, Tevye Kuykendall, Francois Leonard, Yuan Mei, Andrew Nonaka, Katerina Papadopoulou, Greg Tikhomoirov, Archana Raja, Ricardo Ruiz en Jackie Yao.
Die "Co-Design of Ultra-Low-Voltage Beyond CMOS Microelectronics-projek" is 'n samewerking tussen navorsers by Berkeley Lab en UC Berkeley. Mede-hoofondersoekers sluit in Sinéad Griffin, Lane Martin, Lavanya Ramakrishnan, Sayeef Saluhuddin, Padraic Shafer, John Shalf, Dilip Vasudevan en Jackie Yao.
