Computers, smartphones en andere elektronica kunnen in de toekomst veel krachtiger én tegelijkertijd een stuk zuiniger worden.
Wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben een nieuw type transistor ontwikkeld die de fundamentele beperkingen van moderne computerchips omzeilt. Vandaag de dag worden deze elektronische componenten gemaakt van silicium, wat al decennialang de standaard is in de chipindustrie. Deze componenten worden steeds kleiner, waardoor computers steeds sneller worden. Maar deze technologie loopt tegen een natuurkundige muur aan, bekend als de ‘Boltzmann-tirannie’. Deze wetmatigheid bepaalt hoeveel spanning er minimaal nodig is om een transistor te laten schakelen. Wanneer de spanning onder deze drempel zakt, functioneert een transistor niet meer, wat de verdere verkleining van transistors beperkt.
Gebruikmaken van kwantumeffecten
De MIT-onderzoekers kozen voor een compleet nieuwe aanpak om dit probleem aan te pakken. In plaats van silicium gebruikten ze een combinatie van twee materialen: galliumantimonide en indiumarsenide. Hiermee bouwden ze microscopisch kleine verticale ‘nanodraden’ die als transistor dienen. Deze nanodraden, met een diameter van slechts 6 nanometer, behoren volgens hen tot de kleinste driedimensionale transistoren ooit gemaakt. Op deze extreem kleine schaal treden kwantumeffecten op, verschijnselen in de natuurkunde die zich op atomair niveau voordoen. Een van deze effecten is het ‘tunneleffect’. Hoofdonderzoeker Yanjie Shao vergelijkt dit met een tunnel die door een berg loopt: in plaats van dat elektronen over de berg moeten ‘klimmen’, wat veel energie kost, kunnen ze er doorheen ’tunnelen’. Dit kwantumeffect maakt het mogelijk om de transistor met veel minder energie aan en uit te zetten.
Efficiëntere chips
De resultaten van het onderzoek, gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Electronics, zijn indrukwekkend: de nieuwe transistoren presteren ongeveer twintig keer beter dan vergelijkbare experimentele ontwerpen en verbruiken aanzienlijk minder energie dan de beste siliciumtransistoren die momenteel in productie zijn. Een bijkomend voordeel is dat door hun kleine formaat meer transistoren op een chip passen, wat kan leiden tot snellere computers, die tegelijkertijd minder energie verbruiken. “Dit is een technologie die silicium zou kunnen vervangen. Je zou het kunnen inzetten voor alle functies waarvoor silicium momenteel wordt gebruikt, maar dan met een veel hogere energie-efficiëntie”, zegt Shao.
Massaproductie niet voor meteen
De weg naar massaproductie is echter nog lang. Bij zulke microscopische afmetingen kan een afwijking van zelfs één nanometer (een miljardste van een meter) al grote gevolgen hebben voor de werking van de transistoren. “Er moeten nog veel uitdagingen worden overwonnen voordat deze benadering commercieel kan worden toegepast, maar conceptueel is dit echt een doorbraak”, zegt hoofdauteur Jesús del Alamo. Het team werkt aan methoden om de transistoren uniformer te maken, zodat ze betrouwbaar op grote schaal geproduceerd kunnen worden. Daarnaast onderzoeken de wetenschappers een alternatief ontwerp met vin-vormige structuren in plaats van ronde nanodraden. Deze structuren zouden makkelijker consistent te produceren kunnen zijn, wat essentieel is voor grootschalige productie.
Als deze technische uitdagingen worden opgelost, kan deze uitvinding een revolutie teweegbrengen in de elektronicawereld. Datacenters zouden veel minder energie verbruiken, smartphones zouden langer meegaan op één acculading, en computers zouden krachtiger worden zonder extra stroomverbruik. Dit zou vooral belangrijk zijn voor de ontwikkeling van kunstmatige intelligentie (AI), die steeds meer rekenkracht vraagt.
De wet van Moore
De voortdurende verkleining van chips heeft de afgelopen decennia gezorgd voor steeds krachtigere elektronica. Dit proces werd aangedreven door de wet van Moore, een observatie van computerwetenschapper Gordon Moore uit 1965, die voorspelde dat het aantal transistors op een chip elke twee jaar zou verdubbelen. Hoewel dit geen natuurkundige wet is, heeft deze trend een breed scala aan technologische innovaties mogelijk gemaakt die onze samenleving ingrijpend hebben veranderd.
Tegenwoordig stuit deze verkleining echter op fundamentele natuurkundige beperkingen. De huidige siliciumtechnologie heeft bijna het punt bereikt waarop verdere verkleining niet meer mogelijk is zonder verlies van efficiëntie en betrouwbaarheid. Dit heeft de industrie gedwongen om naar alternatieve materialen en benaderingen te zoeken, zoals het onderzoek van het MIT-team. Zonder zulke doorbraken dreigt de vooruitgang van de chiptechnologie te stagneren, wat ook de ontwikkelingen in sectoren als kunstmatige intelligentie en dataverwerking zou kunnen vertragen.
