När transistorerna i modern teknologi blir mindre följer både svårare tillverkningsprocesser och andra bieffekter av att leda strömmar närmare atomär skala. I en publikation uppvisar forskare hos IBM att de har hittat en metod att kontrollera kretsar som på många sätt påminner om den mänskliga hjärnan.
Moores lag är en hos många bekant princip som förutspår att halvledartransistorer halveras i storlek – och att en transistorkomponents prestanda dubbleras – ungefär vartannat år. Lagen, som har hållit i ett halvt sekel, är dock trots allt ingen vetenskaplig lag, utan en förutsägande princip. Dagens transistorer tar sig allt närmare atomär nivå, en nivå där kvantmekaniska principer börjar ta övertaget och kort sagt sätta käppar i hjulen med ökat strömläckage genom kvanttunnling och allmänt ökad svårighet att konstruera komponenterna.
Det har länge varit på tal att nya tekniker behövs för att ersätta dagens kiselbaserade transistorer så att den elektroniska utvecklingen inte stannar upp. Flera kandidater finns, bland annat biologiska datorer som använder celler för beräkningar, kvantdatorer som räknar med kvantstadier hos enstaka atomer och kretsar i kolstrukturen grafen. Nu utannonserar dock forskare på IBM att de har ännu en lösning som bygger på att styra strömmar av joner genom kretsar, vilket för med sig en rad fördelar.
Det finns många olika sätt att förklara funktionen hos en transistor, men en enkel sådan är att transistorn är en komponent som antingen leder ström (värde 1) eller inte leder ström (värde 0). I dagens transistorer regleras detta genom att lägga en styrspänning över transistorn vilket får halvledaren att bli ledande respektive isolerande och skifta mellan läge 0 och 1. Och ju fortare denna spänning kan ändras, desto fler beräkningar hinner kretsen med per enhet tid. En bieffekt av detta är att transistorn bara kan behålla sitt läge så länge styrspänningen ligger över den – och det är därför RAM alltid töms när datorn stängs av.
IBMs forskare gjorde istället en komponent av vanadiumoxid, som i sitt originalutförande var isolerande. De införde sedan en vätska av positivt laddade elektrolyter, som konverterade vanadiumoxiden och gjorde den ledande. Genom att applicera en vätska med negativt laddade elektrolyter blev vanadiumoxiden åter isolerande. Genom att reglera flödet av positiva och negativa joner kunde forskarna därför styra en krets och göra den ledande respektive isolerande, och därigenom skifta komponenten mellan läge 1 och 0, precis som en traditionell transistor. Detta har mycket gemensamt med funktionen i en hjärna, som arbetar med flöden av joner (neurotransmittorer) i hjärnans synapser.
En intressant egenskap som dessa kretsar har är att när jonerna väl applicerats på vanadiumoxiden och den gjorts ledande eller isolerande så är den stabil i det stadiet. Detta i motsats till dagens transistorer som är beroende av en styrspänning och tappar sitt stadium när strömmen bryts. En konsekvens av detta är alltså att man i teorin kan bygga minnen som behåller sin information även efter att strömmen bryts, och att data kommer kunna lagras betydligt säkrare.
“Our ability to understand and control matter at atomic scale dimensions allows us to engineer new materials and devices that operate on entirely different principles than the silicon based information technologies of today. […] Going beyond today’s charge-based devices to those that use miniscule ionic currents to reversibly control the state of matter has the potential for new types of mobile devices. Using these devices and concepts in novel three-dimensional architectures could prevent the information technology industry from hitting a technology brick wall.”
– Dr. Stuart Parkin, IBM Research
Liknande komponenter har studerats tidigare, men användandet av oxidjoner gör komponenten skalbar och betydligt mer tillförlitlig än tidigare designer. Forskarnas rapport publicerades den 20e mars i tidskriften Science. Det är dock oklart när eller om tekniken kommer hitta ut på marknaden i konsumentprodukter, men räkna med ett antal års fortsatt testande och utveckling innan dess.
Källa: IBM
