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Efficacité énergétique informatique: le transistor à un seul atome dans l'électrolyte gel atteint la limite de la miniaturisation


La consommation d'énergie élevée est un effet secondaire bien connu qui provient de la numérisation. Les technologies de l'information (TI) représentent plus de 10% de la consommation totale d'énergie. Les transistors sont au cœur du traitement des données numériques dans les centres de calcul ainsi que dans l'électronique grand public comme les ordinateurs personnels, les smartphones, ou même dans les systèmes embarqués, des appareils électroménagers aux avions.

Le besoin impératif d'améliorer l'efficacité énergétique des TI

Le calcul haute performance s'est tourné vers les ordinateurs Exascale, qui sont des supercalculateurs capables d'effectuer 1 million de milliards d'opérations en virgule flottante par seconde, soit 1 exaflops, pour être opérationnels d'ici 2020. Le problème majeur rencontré par ceux qui travaillent sur Exascale les supercalculateurs sont la quantité d'énergie qu'ils consomment.

Jusqu'à récemment, conformément à la loi de Moore, les ingénieurs avaient seulement espéré que les tensions de fonctionnement des transistors en silicium continueraient à baisser avec la taille des transistors. «Nous pourrions théoriquement abaisser la tension de fonctionnement d'où elle se trouve actuellement - environ 800 millivolts - à quelques millivolts», a déclaré Eli Yablonovitch, ingénieur en informatique et directeur du Center for Energy Efficient Electronics Science de l'Université de Californie, Berkeley en 2015. Il s'attendait à ce qu'un «interrupteur millivolt» soit une solution radicale au problème d'efficacité énergétique des supercalculateurs. Avance rapide jusqu'en 2018.

Transistor mono-atome: perspectives pour l'électronique quantique à l'échelle atomique

Des chercheurs du Karlsruher Institute of Technology (KIT) en Allemagne sous la direction du physicien professeur Thomas Schimmel ont développé le plus petit transistor mono-atome au monde qui fonctionne dans un électrolyte gel atteignant la limite de la miniaturisation. Thomas Schimmel est professeur de physique et directeur conjoint de l'Institut à l'Institut de physique appliquée de l'Université de Karlsruhe, et chef de la recherche à l'Institut de nanotechnologie au Centre de recherche de Karlsruhe, Institut de technologie de Karlsruhe (KIT). Le professeur Schimmel est également directeur scientifique du réseau d'excellence des nanostructures fonctionnelles.

Ce composant d'électronique quantique développé par l'équipe du professeur Schimmel a la capacité de commuter le courant électrique par repositionnement contrôlé d'un seul atome. Travaillant à température ambiante et consommant un minimum d'énergie, ce jalon de l'efficacité énergétique offre de nouvelles opportunités aux technologies de l'information (TI).

Selon l'abstrait, le transistor à un seul atome représente un dispositif électronique quantique qui fonctionne à température ambiante. Cela permet la commutation d'un courant électrique par la relocalisation contrôlée et réversible d'un seul atome dans un contact à point quantique métallique.

Dans le document de recherche, Quasi-Solid-State Single-Atom Transistors, publié dans Matériaux avancés, les chercheurs expliquent que le commutateur atomique est entièrement contrôlé par une troisième électrode de grille indépendante qui permet d'ouvrir et de fermer un contact métallique entre les électrodes de source et de drain par la relocalisation contrôlée par la tension de grille d'un seul atome d'argent. Le dispositif fonctionne en appliquant une petite tension à une électrode de commande ou une grille dans l'électrolyte aqueux.

Les transistors atomiques présentent des propriétés remarquables

Le développement du transistor mono-atome développé par les chercheurs du KIT représente une première démonstration au monde de la fonctionnalité d'un transistor à l'échelle atomique. Cette innovation peut considérablement améliorer l'efficacité énergétique des technologies de l'information. Selon le professeur Schimmel, "cet élément d'électronique quantique permet des énergies de commutation inférieures à celles des technologies classiques du silicium d'un facteur 10 000".

Le transistor à l'échelle nanométrique commute le courant électrique grâce au mouvement réversible contrôlé d'un seul atome. En revanche, les transistors conventionnels commutent le courant en modifiant localement les propriétés électroniques. Le transistor mono-atome fonctionne à la fois à des températures extrêmement basses proches de zéro (-273 ° C) et à température ambiante, ce qui représente un grand avantage pour les applications futures.

Ces transistors représentent des commutateurs quantiques, les niveaux entre lesquels la commutation se produit étant donnés les lois fondamentales de la mécanique quantique. Ce transistor entièrement métallique n'utilise aucun semi-conducteur, l'absence de bande interdite permet un fonctionnement à de très basses tensions.

Avantages des transistors à un seul atome

Les transistors à un seul atome possèdent des caractéristiques courant-tension extrêmement non linéaires, ce qui est souhaitable dans de nombreuses applications. Selon les chercheurs, ces transistors peuvent être fabriqués à l'aide de matériaux conventionnels, abondants, peu coûteux et non toxiques avec de grands avantages pour la chaîne d'approvisionnement électronique.

En même temps, ils ouvrent des perspectives pour la commutation électronique à des fréquences ultra-rapides. Dans leur rapport, les chercheurs disent que, comme le processus de commutation est réalisé avec de très petits potentiels de grille de l'ordre du millivolt, la consommation d'énergie de ces dispositifs est de plusieurs ordres de grandeur inférieure à celle de l'électronique conventionnelle à base de semi-conducteurs.

L'avenir de l'électronique quantique

Le développement du transistor à un seul atome n'est que le début d'une électronique activement contrôlée à l'échelle atomique. Cependant, il ouvre des perspectives fascinantes pour le développement et la fabrication d'électronique quantique et de logiques basées sur des atomes individuels. Les chercheurs s'attendent à ce que le développement d'un premier circuit intégré simple et d'un transistor quantique à plusieurs niveaux constitue les premiers pas encourageants dans cette direction.

La consommation d'énergie ultra-faible dans le développement futur des circuits électroniques à l'échelle nanométrique dépend de la conductivité électronique au niveau quantique. Le transistor mono-atome développé par le professeur Thomas Schimmel et son équipe ouvre des perspectives instructives et tout à fait fascinantes pour les domaines émergents de l'électronique quantique et de la logique à l'échelle atomique.


Voir la vidéo: Exercice sur les niveaux dénergie - partie 13 (Septembre 2021).