Home Tecnology Phosphor gleich Graphen macht rekonfigurierbare Transistoren

Phosphor gleich Graphen macht rekonfigurierbare Transistoren

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Bild von zwei Sätzen von Balkendiagrammen.

Vergrößern /. Ein Tor, zwei Verhaltensweisen.

In der Zwischenzeit sind unsere Prozessoren auf Silizium aufgebaut. Die grundlegenden Grenzen dessen, was mit diesen Materialien erreicht werden könnte, lassen die Forscher jedoch Methoden im Auge behalten, um Verbrauchsmaterialien zu nutzen, die von Natur aus kleine Optionen haben, wie Nanoröhren oder atomar dünne Verbrauchsmaterialien. Nicht weniger als im Prinzip können wir damit das tun, was wir jetzt tun, einfach besonders effektiv und / oder mit körperlich kleineren Optionen.

Können diese Lieferungen es uns jedoch ermöglichen, Probleme zu lösen, die Silizium nicht lösen kann? Die Antwort scheint sicher zu sein, hauptsächlich basierend auf Analysen, die Anfang dieser Woche veröffentlicht wurden. Darin beschreiben die Forscher Transistoren, die im laufenden Betrieb neu konfiguriert werden können, damit sie völlig unterschiedliche Operationen ausführen. Sie empfehlen, dass dies für die Sicherheit hilfreich sein kann, da es ungesunde Akteure davon abhalten könnte, zu bestimmen, wie Sicherheitsmaßnahmen angewendet werden.

Doping gegen Sicherheit

Die hauptsächlich in Purdue und Notre Dame ansässigen Forscher argumentieren, warum diese Art von rekonfigurierbaren Schaltkreisen Auswirkungen auf die Sicherheit haben kann. Es kommt auf die Versorgungswissenschaft der Siliziumtransistoren an. Sie erfordern Siliziumbereiche, die sowohl nachteilige als auch optimistische Kosten aufrechterhalten (kreativ als Halbleiter vom p- oder n-Typ bezeichnet). Diese werden durch Dotieren oder Einschließen kleiner Mengen sicherer Komponenten in das Silizium erzeugt. Dies wird im Laufe der Herstellung abgeschlossen, und die Dotierung wird zu diesem Zeitpunkt fixiert. Dies bedeutet, dass der Betrieb bestimmter Personentransistoren bei der Herstellung des Chips verriegelt ist.

Dies wird zu einem Problem für sicherheitsorientierte {Hardware}. Wenn eine der Optionen in einem Siliziumchip angewendet wird (anstatt rein softwarebasiert zu sein), sollten sie körperlich dem Chip {Hardware} selbst gewidmet sein. Und da diese {Hardware} statisch ist, würde das Herausfinden des Chipformats bedeuten, eine Sache über die Funktionsweise der {Hardware} zu verstehen und wahrscheinlich ihre Schwachstellen aufzudecken. Das ist keine zusammenfassende Sorge; Wir haben überlegene Mikroskopiemethoden, mit denen {Hardware} auf den erforderlichen Grad untersucht werden kann, und es gibt Hinweise darauf, dass sie bereits zum Ergreifen von Maßnahmen verwendet wurden.

Die Antwort darauf, so argumentieren die Autoren, besteht darin, Transistoren zu erstellen, die nicht für einen bestimmten Betrieb bestimmt sind. Und es ist nicht möglich, dies mit Silizium zu versuchen. Aber es scheint sicher, dass atomar dünne Vorräte, die für verschiedene Ursachen untersucht wurden, keine inhärenten Halbleiter vom p- oder n-Typ sind. Ihre Gewohnheiten sind von ihrer Umgebung abhängig, da sie optimistische oder nachteilige Kosten verursachen, die davon abhängen, was von den metallischen Leitern, die den Transistor verdrahten, in den Stoff injiziert wird. Die Forscher beschlossen daher zu prüfen, ob sie tatsächlich einen rekonfigurierbaren Transistor konstruieren können oder nicht.

Während es eine Reihe von atomar dünnen Vorräten gibt – Graphen, MoS2und zusätzlich – die Forscher beschlossen, mit einer Sache zu arbeiten, die als schwarzer Phosphor bezeichnet wird. Der Stoff besteht aus mehreren geschichteten Schichten, wobei jede Schicht vollständig aus Phosphoratomen besteht, die chemisch miteinander verbunden sind. Im Gegensatz zu planarem Graphen führen die chemischen Bindungen von Phosphor dazu, dass diese Schichten gemeinsame Rippen und Täler aufweisen, wie Wellblech. (Nachdem wir dieses Material endgültig besucht hatten, wurde es zur Herstellung von Schnellladebatterien verwendet.)

Präzise {Hardware}

Schwarzer Phosphor wurde ausgewählt, da er eine kleine Bandlücke aufweist, was bedeutet, dass für seine Funktion keine große Spannungsunterscheidung erforderlich ist. Leider bedeutete dies zusätzlich, dass der Unterschied zwischen den Ein- und Ausschaltzuständen gering war. Dieser Nachteil wurde durch die Tatsache verschärft, dass die {Hardware} so entworfen wurde, dass sich die vorhandenen Bewegungen in den einzelnen Anweisungen bewegen können. Im ausgeschalteten Zustand wurde es zu einem Potenzial für die Gegenwart, sich in geringem Maße vorwärts oder rückwärts zu bewegen, was es schwieriger machte, „aus“ als Mangel an Gegenwart zu registrieren.

Um diesen Nachteil zu bewältigen, haben die Forscher den Transistor erheblich überarbeitet. In Silizium weist ein Transistor Versorgungs- und Drain-Elektroden auf, um eine Bewegung des vorhandenen Transistors zu ermöglichen, und eine Gate-Elektrode, die dieses vorhandene ein- oder ausschaltet. Für das reversible Modell mit schwarzem Phosphor verwendeten die Forscher zwei Tore, die das Ein / Aus-Zeichen verstärkten. Zusätzlich fügten sie ein sogenanntes “Polaritätstor” hinzu, das die Bewegung der Gegenwart blockierte, wenn das Tor als ausgeschaltet vorausgesetzt wurde.

Mit diesen haben die Forscher eine hervorragende Effizienz festgestellt: Betrieb bei kleinen Spannungen und eine transparente Unterscheidung zwischen Ein- und Ausschaltzuständen, wobei die Unterscheidung steigt, weil die Spannung hochgefahren wurde.

NAND, NOR und XOR

Damit konstruierten die Forscher ein präzises Stück Logik. Dies hatte einen Einzelbitschlüssel, der den Zustand des Gatters festlegte. Wenn sich das Bit in einem einzelnen Zustand befindet, würde die {Hardware} eine NAND-Operation (nicht-und) ausführen. Drehen Sie das Bit um und als Ersatz könnte es eine Nicht-oder-Operation (NOR) ausführen. Und, hauptsächlich basierend auf den Grafiken im Papier, hat es genau deshalb funktioniert, weil es sollte. Die Forscher bestätigten außerdem, dass es möglich ist, ein identisches System zu erstellen, das zwischen Exklusiv- oder (XOR) und NOR wechseln kann, indem einfach einige Details der Konfiguration angepasst werden.

Der wichtige Faktor ist, dass der Status des Bits zur Laufzeit dynamisch gesetzt werden kann. Ohne den Zustand des Bits herauszufinden, gibt es keine Methode, um zu wissen, welche Operation diese Gates ausführen, indem sie die {Hardware} anprobieren. Selbst wenn Sie wahrscheinlich das gesamte {Hardware} -Format haben, gibt es keine Methode, um zu informieren, was diese Gates möglicherweise tun.

Ist das so wichtig? Möglicherweise nicht – wir sind weit davon entfernt, diese neuen Verbrauchsmaterialien in der Nähe der Fertigung {Hardware} zu implementieren. Aber es ist sicherlich aufregend zu sehen, wie daran gedacht wird, da wir nicht viele Studien wie diese gesehen haben. Weil die Autoren argumentieren, “konzentriert sich die Analyse innerhalb des Gebiets normalerweise auf die Demonstration von Operationen, die zusätzlich mit herkömmlichen Transistoren erreichbar sein könnten, und Bemühungen, die charakteristischen Eigenschaften von 2D-Versorgungen, die der Ambipolarität ähneln, zu nutzen, um neue Funktionen zu liefern, sind ungewöhnlich.”

Nature Electronics, 2020. DOI: 10.1038 / s41928-020-00511-7 (Über DOIs).

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