Normalmente, i chip dei computer sono costituiti da componenti elettronici che fanno sempre la stessa cosa. In futuro, tuttavia, sarà possibile una maggiore flessibilità: nuovi tipi di transistor adattivi possono essere commutati dinamicamente per eseguire diverse attività logiche. Questo cambia radicalmente le possibilità di progettazione dei chip e apre opportunità completamente nuove nel campo dell’intelligenza artificiale, delle reti neurali o persino della logica che funziona con più valori rispetto ai soli 0 e 1.

Per raggiungere questo obiettivo, gli scienziati della TU Wien (Vienna) non si sono affidati alla solita tecnologia del silicio, ma al germanio. Questo è stato un successo: si tratta del transistor più flessibile al mondo. È stato presentato sulla rivista ACS Nano. Le speciali proprietà del germanio e l’uso di elettrodi di gate dedicati hanno permesso di creare un prototipo per un nuovo componente che potrebbe inaugurare una nuova era della tecnologia dei chip.

Il transistor è la base di ogni moderno dispositivo elettronico: è un piccolo componente che consente alla corrente di fluire o blocca il flusso di corrente, a seconda che una tensione elettrica venga applicata o meno a un elettrodo di controllo. Ciò consente di costruire semplici circuiti logici ma anche memoria di archiviazione.

Il modo in cui la carica elettrica viene trasportata nel transistor dipende dal materiale utilizzato: o ci sono elettroni in movimento libero che trasportano una carica negativa, o un elettrone può mancare dai singoli atomi, in modo che questo punto sia caricato positivamente. Questo viene quindi indicato come “fori” – possono anche essere spostati attraverso il materiale.

“Il fatto che usiamo il germanio è un vantaggio decisivo”, ha affermato Masiar Sistani. “Questo perché il germanio ha una struttura elettronica molto speciale: quando si applica la tensione, il flusso di corrente aumenta inizialmente, come ci si aspetterebbe. Dopo una certa soglia, tuttavia, il flusso di corrente diminuisce di nuovo, questo è chiamato 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 usare per dare al transistor esattamente le proprietà di cui abbiamo bisogno al momento”.

“Fino ad ora, l’intelligenza dell’elettronica è venuta semplicemente dall’interconnessione di diversi transistor, ognuno dei quali aveva solo una funzionalità abbastanza primitiva. In futuro, questa intelligenza può essere trasferita all’adattabilità del nuovo transistor”, ha spiegato il Prof. Walter Weber. “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 gruppo di ricerca del Prof. Weber lavora alla TU Wien solo da circa due anni. Il Prof. Walter Weber si è fatto un nome internazionale con il suo lavoro sull’elettronica riconfigurabile. Il Dr. Masiar Sistani è un esperto nel campo dell’elettronica al germanio e si è specializzato nella ricerca di fenomeni di trasporto elettronico. Queste due aree di competenza sono una combinazione perfetta per rendere possibile il transistor al germanio adattivo. “Alcuni dettagli devono ancora essere ottimizzati, ma con il nostro primo transistor al germanio programmabile abbiamo dimostrato che l’idea di base funziona davvero. Questa è una svolta decisiva per noi”, ha affermato Masiar Sistani.

Queste nuove possibilità sono particolarmente interessanti per le applicazioni nel campo dell’intelligenza artificiale: “La nostra intelligenza umana si basa su circuiti che cambiano dinamicamente tra le cellule nervose. Con i nuovi transistor adattivi, è ora possibile cambiare i circuiti direttamente sul chip in modo mirato”, ha dichiarato Walter Weber. La logica multivalore può anche essere implementata in questo modo, cioè circuiti che funzionano non solo con 0 e 1, ma con un numero maggiore di stati possibili.

Una rapida applicazione industriale di questa nuova tecnologia è realistica: i materiali sono già oggi utilizzati nell’industria dei semiconduttori e non sono necessari processi di produzione completamente nuovi. Per certi aspetti, la tecnologia sarebbe anche più semplice di prima: oggi i materiali semiconduttori sono drogati, cioè arricchiti con singoli atomi estranei. Questo non è necessario con il transistor a base di germanio; può essere usato germanio puro.

“Non vogliamo sostituire completamente la consolidata tecnologia dei transistor a base di silicio con il nostro nuovo transistor, sarebbe presuntuoso”, ha affermato Masiar Sistani. “È più probabile che la nuova tecnologia venga incorporata nei chip dei computer come componente aggiuntivo in futuro. Per alcune applicazioni, sarà semplicemente più efficiente dal punto di vista energetico e sarà più conveniente fare affidamento su transistor adattivi”.