(PhysOrg.com) - Os computadores do futuro podem operar sem elétrons, mas em ondas minúsculas viajando através de um fluido de elétron, "se uma nova proposta for bem-sucedida. O novo design do circuito, apresentado recentemente pelo Dr. Héctor J. De Los Santos, CTO da NanoMEMS Research, LLC, em Irvine, Califórnia, pode ser um candidato promissor para substituir circuitos baseados em CMOS, e, finalmente, continuar o crescimento da densidade do circuito descrito pela Lei de Moore.

Como Gordon Moore previu há mais de 40 anos, o número de transistores capazes de caber em um chip de computador dobrou aproximadamente a cada 18 meses. Mas se a tendência for continuar nos próximos anos, terá que ser com tecnologia diferente do design CMOS convencional. Conforme o tamanho dos transistores atinge a nanoescala, Os dispositivos CMOS começam a sofrer de vários problemas, como maior resistência, diminuição da mobilidade do canal, e aumento dos custos de fabricação.

Para superar os desafios envolvidos com o dimensionamento, pesquisadores de todo o mundo começaram a procurar alternativas para a tecnologia CMOS. O conceito de De Los Santos, chamada lógica nanoelétron-fluídica (NFL), é baseado no fluxo de plasmons em um gás de elétron semelhante a um fluido (basicamente um fluido de elétron). Ele prevê que as portas lógicas com o design da NFL oferecem o potencial para velocidades de comutação de femtossegundos e dissipações de energia subfemtojoule em temperatura ambiente - números que seriam extremamente capazes de continuar a Lei de Moore além do CMOS. O artigo de De Los Santos será publicado em uma futura edição da IEEE Transactions on Nanotechnology .

Como De Los Santos explica, o conceito da NFL aproveita as propriedades das ondas de plasma de superfície (SPWs). Essas ondas se propagam na camada de inversão na interface porta-semicondutor isolante (que, nesse caso, incorpora um fluido elétrico) e se comporta como um guia de ondas SPW. Quando dois SPWs colidem, eles se repelem. Na configuração do dispositivo, um SPW é lançado de uma direção específica para colidir com outro SPW, fazendo com que ele se espalhe em uma das duas direções, onde é detectado e interpretado como "1" ou, se não for detectado, um “0”.

Para começar o processo, um SPW é lançado em um canal cheio de fluido de elétrons que se bifurca em dois canais, cada um com um detector no final. Sob nenhuma força externa, o SPW será dividido igualmente para que porções iguais sejam detectadas nos dois terminais finais. Mas quando um segundo SPW é lançado no canal principal da esquerda ou direita, isso fará com que o SPW original se desvie para a bifurcação oposta. Por exemplo, um segundo SPW vindo da direita direcionaria o SPW original para a bifurcação esquerda. Quando o SPW é detectado no terminal esquerdo, e não o certo, o dispositivo da NFL forma a base de um flip-flop lógico, ter a capacidade de armazenar um bit de memória.

O design do SPW é conceitualmente diferente do design do CMOS no sentido de que é baseado em ondas ao invés de partículas. De Los Santos compara o conceito SPW a uma onda em uma lagoa que ocorre quando uma pedra é jogada na água. Nesta analogia, a água é o fluido de elétrons, o distúrbio é uma saída da neutralidade de carga em um determinado ponto no fluido de elétrons (ao invés da saída da posição de equilíbrio de uma partícula se movendo para cima e para baixo), e a perturbação que leva à saída da neutralidade de carga é o SPW.

"Notar que, enquanto a perturbação se afasta de seu ponto de origem, uma partícula na superfície da água permanece no mesmo lugar; só se move para cima e para baixo, ”De Los Santos disse PhysOrg.com . "Assim, a propagação da perturbação não envolve o transporte de massa. Na verdade, a perturbação [SPW] se move a uma velocidade mais rápida do que as partículas massivas de água [elétrons] poderiam ser transportadas. Isso estabelece, qualitativamente, porque a velocidade de um SPW é maior do que a de um elétron. ”

Em comparação, uma lógica CMOS convencional é baseada no transporte de elétrons através de um canal, estabelecendo uma corrente de elétrons. Como De Los Santos explica, a corrente de elétrons é composta de um conjunto de elétrons individuais que individualmente sofrem colisões com as impurezas e a rede semicondutora de fundo vibrante. Essas colisões limitam a velocidade máxima, e a dissipação de energia mínima, atingível para efetuar uma função lógica.

"Então, A NFL é fundamentalmente baseada no lançamento de ondas (SPW), propagação e manipulação, e o CMOS é baseado na modulação da condutividade do canal e no transporte de partículas, " ele disse.

No caso do dispositivo da NFL, a chave para otimizar sua densidade é encontrar um comprimento de dispositivo ideal para a frequência de operação desejada.

“Uma vez lançado, Os SPWs têm uma vida útil que depende da distância que se propagam, ”De Los Santos disse. “Se o ponto em que são detectados estiver muito longe do ponto de origem, os SPWs morrerão antes de chegar lá; nenhuma operação lógica pode ser executada. A distância sendo muito grande, o tamanho do dispositivo será muito grande, e a densidade do dispositivo será pequena. Agora, se o ponto de detecção estiver muito próximo da origem, os SPWs irão saltar / ser refletidos no ponto de detecção, e se propagam de volta ao ponto de origem, onde eles serão refletidos novamente e se propagarão de volta ao ponto de detecção e assim por diante; esta é uma condição de ressonância. Nesse caso, o dispositivo é pequeno, a densidade é grande, mas o que temos é um oscilador. Contudo, se o ponto de detecção estiver localizado a uma distância que o SPW seja detectado antes de morrer, de modo que a viagem de ida e volta ao ponto de lançamento é tal que morre antes de chegar lá, então temos o tamanho certo do dispositivo, e a densidade de dispositivo certa para a NFL. ”

Com a limitação de ressonância em mente, De Los Santos prevê que a densidade final do dispositivo seria a do menor plasmon possível, que é um dipolo elétrico. Uma vez que o menor dipolo elétrico é um átomo, a densidade seria igual à densidade atômica de área do tipo de átomo usado. Comparado aos tamanhos de recursos atuais do CMOS, a lógica da NFL poderia desempenhar potencialmente a mesma função em apenas um quarto da área.

Além de seu potencial para alta densidade, a lógica da NFL tem outras vantagens, como uma velocidade de operação rápida e uma pequena necessidade de energia. SPWs têm uma velocidade de propagação de cerca de 1 bilhão de cm / s, que é duas ordens de magnitude maior do que os elétrons. Na nanoescala, esta velocidade permite tempos de comutação na ordem dos femtossegundos, ou comutação de frequências de aproximadamente 6 THz à temperatura ambiente. Quanto à energia, a única energia necessária é a necessária para excitar um SPW, que pode ser feito por qualquer corrente DC diferente de zero. Manter o fluido de elétrons requer um consumo de energia insignificante, de modo que o consumo geral de energia do dispositivo seja determinado pela corrente mínima detectável.

Além disso, o conceito da NFL é compatível com as capacidades litográficas atuais, permitindo que ele aproveite a infraestrutura de fabricação de semicondutores estabelecida. As portas lógicas da NFL também podem ter interface com a eletrônica convencional. No futuro, De Los Santos planeja continuar investigando as possibilidades da lógica da NFL.

“A pesquisa e o desenvolvimento estão em andamento para abordar o design baseado na NFL, em particular, estilos de design lógico assíncrono, e interface com elétrons, sistemas fotônicos e plasmônicos, ”De Los Santos disse. “Espera-se que as funções do circuito lógico digital com base na NFL substituam o CMOS como uma tecnologia que vai permear a partir dos computadores, laptops, e telefones celulares para os satélites de comunicação, equipamentos de instrumentação e automóveis do futuro. ”

Mais Informações: Héctor J. De Los Santos. "Theory of Nano-Electron-Fluidic Logic (NFL):A New Digital‘ Electronics ’Concept.” IEEE Transactions on Nanotechnology . A ser publicado.

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