Un team di ricercatori dell’University Of Technology di Vienna ha creato un’evoluzione dell’unità più importante dell’informatica: il transistor. Attingendo all’elemento germanio (Ge), ha sviluppato un nuovo design adattivo del transistor in grado di cambiare la sua configurazione al volo in base ai requisiti del carico di lavoro. Il potenziale è enorme, in quanto potrebbe consentire di utilizzare fino all’85% di transistor in meno rispetto agli approcci attuali. Inoltre, con un minor numero di transistor che operano per lo stesso lavoro, il consumo di energia e le temperature diminuiranno, il che a sua volta consente una scala di frequenza e prestazioni più elevate.

I transistor – e in particolare i Field Effect Transistor (FET) – sono le unità fondamentali della progettazione dei semiconduttori. Sebbene i transistor possano assumere molte funzioni diverse, queste ultime sono di per sé semplici. È dall’aggiunta di molti piccoli e semplici transistor insieme (in circuiti integrati) che possono essere sbloccate prestazioni di livello superiore e carichi di lavoro più complessi.

Facendo riferimento alla strategia “tick-tock” di Intel, un tock (cambiamento di microarchitettura) corrisponde essenzialmente ai miglioramenti delle prestazioni che possono essere ottenuti riorganizzando e riprogettando i blocchi di transistor. Un tick (un cambiamento nel nodo di produzione) aumenta la quantità di transistor disponibili per gli ingegneri da utilizzare in circuiti sempre più complessi. La scomparsa della strategia tick-tock di Intel mostra come i progressi nella densità dei transistor stiano diventando più difficili da raggiungere. Inoltre, mentre i materiali e la ricerca sul design hanno escogitato molti modi per migliorare i transistor, il loro design fondamentale rimane invariato. Quali vantaggi potrebbero derivare dal ridisegnare il transistor?

Il professore Walter Weber ha affermato: “Le operazioni aritmetiche, che in precedenza richiedevano 160 transistor, sono possibili con 24 transistor grazie a questa maggiore adattabilità. In questo modo, anche la velocità e l’efficienza energetica dei circuiti possono essere notevolmente aumentate”. Il dottor Masiar Sistani ha aggiunto: “Colleghiamo due elettrodi con un filo estremamente sottile in germanio, tramite interfacce di alta qualità estremamente pulite. Sopra il segmento al germanio, posizioniamo un elettrodo di gate come quelli che si trovano nei transistor convenzionali. Ciò che è decisivo è che il nostro transistor è dotato di un ulteriore elettrodo di controllo posto sulle interfacce tra germanio e metallo che può programmare dinamicamente la funzione del transistor“.

Questo elettrodo di controllo aggiuntivo consente essenzialmente ai ricercatori di alterare il comportamento dei transistor. I tipici transistor a elettrodo singolo trasportano la corrente tramite elettroni in movimento libero (che trasportano una carica negativa) o rimuovendo un elettrone dai singoli atomi, rendendoli carichi positivamente. L’aggiunta del ponte al germanio permette al nuovo design di essere in grado di passare da questi due stati di trasporto senza soluzione di continuità.

Il dottor Sistani ha spiegato:

Il fatto che usiamo il germanio è un vantaggio decisivo. Questo perché il germanio ha una struttura elettronica molto speciale: quando si applica la tensione, il flusso di corrente inizialmente aumenta, come ci si aspetterebbe. Dopo una certa soglia, tuttavia, il flusso di corrente diminuisce di nuovo – questa è chiamata resistenza differenziale negativa. Con l’aiuto dell’elettrodo di controllo, possiamo modulare a quale tensione si trova questa soglia. Ciò si traduce in nuovi gradi di libertà che possiamo utilizzare per dare al transistor esattamente le proprietà di cui abbiamo bisogno.

Sorprendentemente, la tecnologia promette di essere rapidamente scalabile e implementabile: nessuno dei materiali utilizzati è nuovo nell’industria dei semiconduttori e non sarebbero necessari nuovi strumenti appositamente progettati. Ma, naturalmente, qualsiasi adozione iniziale sarebbe limitata e i ricercatori ritengono che il loro transistor adattativo verrebbe incorporato come componente aggiuntivo di determinati progetti di semiconduttori da sfruttare quando necessario.