(PhysOrg.com) -- Computers van de toekomst zouden niet op elektronen kunnen werken, maar op kleine golven die door een elektron "vloeistof, " als een nieuw voorstel succesvol is. Het nieuwe circuitontwerp, onlangs geïntroduceerd door Dr. Héctor J. De Los Santos, CTO van NanoMEMS Research, LLC, in Irvine, Californië, kan een veelbelovende kandidaat zijn om op CMOS gebaseerde circuits te vervangen, en uiteindelijk de groei van de circuitdichtheid voortzetten die wordt beschreven door de wet van Moore.

Zoals Gordon Moore meer dan 40 jaar geleden voorspelde, het aantal transistors dat op een computerchip past, verdubbelde ongeveer elke 18 maanden. Maar als de trend de komende jaren doorzet, het zal met andere technologie moeten zijn dan het conventionele CMOS-ontwerp. Naarmate de grootte van transistors tot op de nanoschaal wordt, CMOS-apparaten beginnen te lijden aan verschillende problemen, zoals verhoogde weerstand, verminderde kanaalmobiliteit, en hogere productiekosten.

Om de uitdagingen van schaalvergroting te overwinnen, onderzoekers van over de hele wereld zijn op zoek gegaan naar alternatieven voor CMOS-technologie. Het concept van De Los Santos, genaamd nano-elektron-fluïdische logica (NFL), is gebaseerd op de stroom van plasmonen in een vloeistofachtig elektronengas (eigenlijk een elektronenvloeistof). Hij voorspelt dat logische poorten met het NFL-ontwerp het potentieel bieden voor femtoseconde-schakelsnelheden en sub-femtojoule-vermogensdissipaties bij kamertemperatuur - getallen die buitengewoon goed in staat zouden zijn om de wet van Moore verder te zetten dan CMOS. De Los Santos' paper zal worden gepubliceerd in een toekomstige uitgave van IEEE-transacties op nanotechnologie .

Zoals De Los Santos uitlegt, het NFL-concept maakt gebruik van de eigenschappen van oppervlakteplasmagolven (SPW's). Deze golven planten zich voort op de inversielaag op de isolerende poort-halfgeleiderinterface (die, in dit geval, belichaamt een elektrische vloeistof) en gedraagt ​​zich als een SPW-golfgeleider. Wanneer twee SPW's botsen, ze stoten elkaar af. In de instellingen van het apparaat, een SPW wordt gelanceerd vanuit een bepaalde richting om te botsen met een andere SPW, waardoor het zich in twee richtingen verspreidt, waar het wordt gedetecteerd en geïnterpreteerd als een "1" of, indien niet gedetecteerd, een "0".

Om het proces te starten, een SPW wordt gelanceerd in een kanaal gevuld met elektronenvloeistof dat zich in twee kanalen splitst, elk met een detector aan het einde. Zonder externe krachten, de SPW wordt gelijk verdeeld, zodat gelijke porties worden gedetecteerd bij de twee eindterminals. Maar wanneer een tweede SPW van links of rechts in het hoofdkanaal wordt gelanceerd, hierdoor zal de originele SPW afbuigen in de tegenovergestelde vork. Bijvoorbeeld, een tweede SPW die van rechts komt, zou de originele SPW langs de linkervork naar beneden sturen. Wanneer de SPW wordt gedetecteerd bij de terminal aan de linkerkant, en niet rechts het NFL-apparaat vormt de basis van een logische flip-flop, met de mogelijkheid om een ​​​​bit geheugen op te slaan.

Het SPW-ontwerp verschilt conceptueel van het CMOS-ontwerp in die zin dat het gebaseerd is op golven in plaats van deeltjes. De Los Santos vergelijkt het SPW-concept met een golf in een vijver die ontstaat wanneer een kiezelsteen in het water valt. In deze analogie het water is de elektronenvloeistof, de verstoring is een afwijking van de ladingsneutraliteit op een bepaald punt in de elektronenvloeistof (in plaats van de afwijking van de evenwichtspositie van een op en neer bewegend deeltje), en de storing die de afwijking van ladingsneutraliteit met zich meebrengt, is de SPW.

"Let erop dat, terwijl de storing zich van het punt van oorsprong verwijdert, een deeltje aan het wateroppervlak blijft op dezelfde plaats; het beweegt alleen op en neer, "De Los Santos vertelde" PhysOrg.com . "Dus, bij de voortplanting van de verstoring is geen massatransport betrokken. In feite, de verstoring [SPW] beweegt met een snelheid die sneller is dan die waarmee de massieve waterdeeltjes [elektronen] zouden kunnen worden getransporteerd. Dit stelt vast, kwalitatief, waarom de snelheid van een SPW groter is dan die van een elektron.”

In vergelijking, een conventionele CMOS-logica is gebaseerd op het transporteren van elektronen door een kanaal door een elektronenstroom tot stand te brengen. Zoals De Los Santos uitlegt, de elektronenstroom bestaat uit een verzameling individuele elektronen die individueel botsen met onzuiverheden en het trillende achtergrondhalfgeleiderrooster. Deze botsingen beperken de maximumsnelheid, en de minimale vermogensdissipatie, haalbaar om een ​​logische functie uit te voeren.

"Dus, NFL is fundamenteel gebaseerd op het lanceren van golven (SPW), voortplanting en manipulatie, en CMOS is gebaseerd op kanaalgeleidingsmodulatie en deeltjestransport, " hij zei.

In het geval van het NFL-apparaat, de sleutel tot het optimaliseren van de dichtheid is het vinden van een optimale apparaatlengte voor de gewenste werkfrequentie.

“Eenmaal gelanceerd, SPW's hebben een levensduur die afhangt van de afstand die ze voortplanten, ', aldus De Los Santos. “Als het punt waarop ze worden gedetecteerd te ver verwijderd is van het punt van oorsprong, de SPW's zullen sterven voordat ze er zijn; geen logische bewerking kan worden uitgevoerd. De afstand is te groot, de grootte van het apparaat zal te groot zijn, en de apparaatdichtheid zal klein zijn. Nutsvoorzieningen, als het detectiepunt te dicht bij de oorsprong ligt, de SPW's zullen stuiteren/weerkaatsen op het detectiepunt, en propageren terug naar het punt van oorsprong, waar ze weer worden gereflecteerd en zich terug voortplanten naar het detectiepunt, enzovoort; dit is een resonantieconditie. In dit geval, het apparaat is klein, de dichtheid is groot, maar wat we hebben is een oscillator. Echter, als het detectiepunt zich op een zodanige afstand bevindt dat de SPW wordt gedetecteerd voordat deze sterft, zodat de heen- en terugreis naar het lanceerpunt zodanig is dat het sterft voordat het daar aankomt, dan hebben wij de juiste apparaatmaat, en de juiste apparaatdichtheid voor NFL.”

Met de resonantiebeperking in gedachten, De Los Santos voorspelt dat de uiteindelijke apparaatdichtheid die van het kleinst mogelijke plasmon zou zijn, dat is een elektrische dipool. Aangezien de kleinste elektrische dipool een atoom is, de dichtheid zou gelijk zijn aan de atomaire dichtheid van het gebruikte type atoom. Vergeleken met de huidige grootte van CMOS-functies, de NFL-logica zou mogelijk dezelfde functie kunnen vervullen in slechts een kwart van het gebied.

Naast het potentieel voor een hoge dichtheid, de NFL-logica heeft nog andere voordelen, zoals een hoge werksnelheid en een kleine energiebehoefte. SPW's hebben een voortplantingssnelheid van ongeveer 1 miljard cm/sec, dat is twee ordes van grootte groter dan elektronen. Op nanoschaal is deze snelheid maakt schakeltijden in de orde van femtoseconden mogelijk, of schakelfrequenties van ongeveer 6 THz bij kamertemperatuur. Wat betreft energie, het enige vereiste vermogen is dat nodig is om een ​​SPW op te wekken, wat kan worden gedaan door een gelijkstroom die niet nul is. Het handhaven van de elektronenvloeistof vereist een verwaarloosbaar stroomverbruik, zodat het totale stroomverbruik van het apparaat wordt bepaald door de minimaal detecteerbare stroom.

In aanvulling, het NFL-concept is compatibel met de huidige lithografische mogelijkheden, waardoor het kan profiteren van de gevestigde infrastructuur voor de productie van halfgeleiders. NFL logische poorten kunnen ook worden gekoppeld aan conventionele elektronica. In de toekomst, De Los Santos is van plan de mogelijkheden van NFL-logica te blijven onderzoeken.

"Er is onderzoek en ontwikkeling gaande om op NFL gebaseerd ontwerp aan te pakken, vooral, asynchrone logische ontwerpstijlen, en interfacing met elektronen, fotonische en plasmonische systemen, ', aldus De Los Santos. "NFL-gebaseerde digitale logische circuitfuncties zullen naar verwachting CMOS verdringen als een technologie die van de computers zal doordringen, laptops, en mobiele telefoons naar de communicatiesatellieten, instrumentatieapparatuur en auto's van de toekomst.”

Meer informatie: Héctor J. De Los Santos. "Theorie van nano-elektron-fluïdische logica (NFL):een nieuw digitaal 'elektronica'-concept." IEEE-transacties op nanotechnologie . Gepubliceerd worden.

Copyright 2009 PhysOrg.com.
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.