Vandaag op IEEE International Electron Devices Meeting, IBM-wetenschappers hebben verschillende baanbrekende onderzoeksdoorbraken onthuld die kunnen leiden tot grote vooruitgang bij het leveren van aanzienlijk kleinere, snellere en krachtigere computerchips.

Al meer dan 50 jaar, computerprocessors zijn enorm in kracht toegenomen en in omvang gekrompen. Echter, de hedendaagse chipontwerpers raken fysieke beperkingen met de wet van Moore, het tempo van productinnovatie stoppen door alleen schaalvergroting.

Met vrijwel alle elektronische apparatuur die tegenwoordig is gebouwd op complementaire symmetrie-metaal-oxide-halfgeleidertechnologie (CMOS), er is dringend behoefte aan nieuwe materialen en ontwerpen voor circuitarchitectuur die compatibel zijn met dit engineeringproces, aangezien de technologie-industrie de fysieke schaalbaarheidslimieten van de siliciumtransistor nadert.

Na jaren van belangrijke natuurkundige vooruitgang die voorheen alleen in een laboratorium werd bereikt, Wetenschappers van IBM hebben met succes de ontwikkeling en toepassing van nieuwe materialen en logische architecturen geïntegreerd op wafers met een diameter van 200 mm (acht inch). Deze doorbraken kunnen mogelijk een nieuwe technologische basis vormen voor de convergentie van computergebruik, communicatie, en consumentenelektronica.

Racetrack geheugen

Racetrack-geheugen combineert de voordelen van magnetische harde schijven en solid-state geheugen om de uitdagingen van toenemende geheugenvereisten en krimpende apparaten te overwinnen.

Bewijzen dat dit type geheugen haalbaar is, vandaag beschrijven IBM-onderzoekers het eerste Racetrack-geheugenapparaat dat is geïntegreerd met CMOS-technologie op 200 mm-wafers, het hoogtepunt van zeven jaar natuurkundig onderzoek.

De onderzoekers demonstreerden zowel lees- als schrijffunctionaliteit op een array van 256 in-plane, gemagnetiseerde horizontale racebanen. Deze ontwikkeling legt de basis voor het verder verbeteren van de dichtheid en betrouwbaarheid van het Racetrack-geheugen met behulp van loodrecht gemagnetiseerde racetracks en driedimensionale architecturen.

Deze doorbraak zou kunnen leiden tot een nieuw type datacentrisch computergebruik waarmee in minder dan een miljardste van een seconde toegang kan worden verkregen tot enorme hoeveelheden opgeslagen informatie.

grafeen

Dit allereerste CMOS-compatibele grafeenapparaat kan draadloze communicatie bevorderen, en activeer nieuwe, hoge frequentie apparaten, die kan werken onder ongunstige temperatuur- en stralingsomstandigheden in gebieden zoals beveiliging en medische toepassingen.

De grafeen geïntegreerde schakeling, een frequentievermenigvuldiger, is operationeel tot 5 GHz en stabiel tot 200 graden Celsius. Hoewel gedetailleerde thermische stabiliteit nog moet worden geëvalueerd, deze resultaten zijn veelbelovend voor grafeencircuits voor gebruik in omgevingen met hoge temperaturen.

Nieuwe architectuur zet de huidige grafeentransistorstructuur op zijn kop. In plaats van te proberen het poortdiëlektricum op een inert grafeenoppervlak te deponeren, de onderzoekers ontwikkelden een nieuwe ingebedde poortstructuur die een hoge apparaatopbrengst mogelijk maakt op een wafer van 200 mm.

Koolstof nanobuisjes

IBM-onderzoekers demonstreerden vandaag de eerste transistor met kanaallengtes van minder dan 10 nm, beter presteren dan de best concurrerende op silicium gebaseerde apparaten op deze lengteschalen.

Hoewel het al wordt overwogen in uiteenlopende toepassingen, variërend van zonnecellen tot displays, de verwachting is dat computers met in het komende decennium transistors zullen gebruiken met een kanaallengte van minder dan 10 nm, een lengteschaal waarop conventionele siliciumtechnologie extreem moeilijk zal presteren, zelfs met nieuwe geavanceerde apparaatarchitecturen. De geschaalde koolstofnanobuisjes met een poortlengte van minder dan 10 nm zijn een belangrijke doorbraak voor toekomstige toepassingen in computertechnologie.

Hoewel vaak geassocieerd met het verbeteren van de schakelsnelheid (aan-status), deze doorbraak toont voor het eerst aan dat koolstofnanobuisjes uitstekend off-state gedrag kunnen bieden in extreem geschaalde apparaten - beter dan wat sommige theoretische schattingen van tunnelstroom suggereerden.