Самый тонкий транзистор в мире — меньше молекулы ДНК. Китай собрал его атом к атому, энергопотребление упало в 10 раз

В Пекине собрали транзистор толщиной всего один нанометр и заставили его работать при напряжении, которое раньше считалось слишком низким для такой конструкции. Речь идет о ферроэлектрическом полевом транзисторе, FeFET. В нем память и вычисления объединены в одном элементе, по принципу, близкому к тому, как нейроны обрабатывают и хранят информацию в мозге. Разработчики утверждают, что им удалось получить самый компактный и при этом более экономичный вариант.

Кремниевые чипы лежат в основе всей современной электроники. Благодаря им работают смартфоны, игровые приставки, дата-центры и суперкомпьютеры. Но архитектура, в которой память и вычислительные блоки физически разделены, требует постоянной передачи данных между ними. На больших нагрузках, особенно в задачах искусственного интеллекта, значительная часть энергии уходит именно на это перемещение, а не на сами вычисления.

Алгоритмы машинного обучения обрабатывают огромные массивы информации, и традиционная схема начинает тормозить сама себя. Чтобы справиться с нагрузкой, инженеры увеличивают площадь кристаллов и повышают производительность, но вместе с этим растет и энергозатратность. Идея объединить память и вычисления в одном месте обсуждается давно. Она позволяет сократить расстояние, которое проходит сигнал, и уменьшить потери энергии.

FeFET подходят для такой архитектуры, потому что один и тот же элемент может хранить данные и участвовать в их обработке. Проблема в том, что запись и стирание информации в таких транзисторах требовали повышенного напряжения. Если современные логические схемы обычно работают при напряжении ниже 0,7 вольта, то для FeFET нужно было около 1,5 вольта. При масштабировании микросхем такая разница становится серьезным ограничением.

Группа под руководством Цю Чэнгуана из Пекинского университета совместно с Пэн Ляньмао из Китайской академии наук изменила саму структуру транзистора. Инженеры уменьшили затворный электрод до одного нанометра. Для ориентира: ширина молекулы ДНК составляет около двух нанометров. Значит, работу пришлось вести с точностью на уровне отдельных атомов.

Новая конфигурация усиливает электрическое поле в ферроэлектрическом слое. За счет этого транзистор начинает работать при напряжении около 0,6 вольта. Энергопотребление снижается примерно в десять раз по сравнению с предыдущими версиями FeFET. При этом устройство сохраняет высокую скорость: время отклика достигает 1,6 наносекунды, что подходит для быстродействующих вычислительных систем.

Пекинский университет запатентовал технологический процесс и конструкцию нового транзистора. По словам исследователей, такая схема может лечь в основу более экономичных дата-центров и специализированных чипов для ИИ. Также они считают, что продемонстрированная технология открывает путь к созданию узлов с масштабом менее одного нанометра, что выходит за рамки привычных кремниевых ограничений и потребует дальнейшей инженерной доработки.