(PhysOrg.com) - Las computadoras del futuro podrían no funcionar con electrones, pero en pequeñas ondas que viajan a través de un "fluido de electrones, "si una nueva propuesta tiene éxito. El nuevo diseño del circuito, presentado recientemente por el Dr. Héctor J. De Los Santos, CTO de NanoMEMS Research, LLC, en Irvine, California, puede ser un candidato prometedor para reemplazar los circuitos basados ​​en CMOS, y finalmente continuar con el crecimiento de la densidad del circuito descrito por la Ley de Moore.

Como predijo Gordon Moore hace más de 40 años, el número de transistores que caben en un chip de computadora se ha duplicado aproximadamente cada 18 meses. Pero si la tendencia va a continuar en los próximos años, tendrá que ser con tecnología diferente al diseño CMOS convencional. A medida que el tamaño de los transistores desciende a la nanoescala, Los dispositivos CMOS comienzan a sufrir varios problemas, como una mayor resistencia, disminución de la movilidad del canal, y mayores costos de fabricación.

Para superar los desafíos relacionados con el escalado, investigadores de todo el mundo han comenzado a buscar alternativas a la tecnología CMOS. El concepto de De Los Santos, llamada lógica nanoelectrónica-fluídica (NFL), se basa en el flujo de plasmones en un gas de electrones similar a un fluido (básicamente un fluido de electrones). Él predice que las puertas lógicas con el diseño de la NFL ofrecen el potencial de velocidades de conmutación de femtosegundos y disipaciones de potencia de subfemtojulios a temperatura ambiente, números que serían extremadamente capaces de continuar la Ley de Moore más allá de CMOS. El artículo de De Los Santos se publicará en un número futuro de Transacciones IEEE sobre nanotecnología .

Como explica De Los Santos, el concepto de la NFL aprovecha las propiedades de las ondas de plasma superficiales (SPW). Estas ondas se propagan en la capa de inversión en la interfaz aislante puerta-semiconductor (que, en este caso, incorpora un fluido eléctrico) y se comporta como una guía de ondas SPW. Cuando dos SPW chocan, se repelen. En la configuración del dispositivo, un SPW se lanza desde una dirección particular para chocar con otro SPW, provocando que se esparza en una de dos direcciones, donde se detecta e interpreta como un "1" o, si no se detecta, un "0".

Para comenzar el proceso, un SPW se lanza a un canal lleno de fluido de electrones que se bifurca en dos canales, cada uno con un detector al final. Sin fuerzas externas, el SPW se dividirá en partes iguales para que se detecten partes iguales en los dos terminales finales. Pero cuando se lanza un segundo SPW al canal principal desde la izquierda o la derecha, hará que el SPW original se desvíe hacia la horquilla opuesta. Por ejemplo, un segundo SPW procedente de la derecha conduciría el SPW original por la bifurcación izquierda. Cuando se detecta SPW en el terminal del extremo izquierdo, y no el derecho, el dispositivo de la NFL forma la base de un flip-flop lógico, tener la capacidad de almacenar un bit de memoria.

El diseño SPW es conceptualmente diferente del diseño CMOS en el sentido de que se basa en ondas en lugar de partículas. De Los Santos compara el concepto de SPW con una ola en un estanque que ocurre cuando se deja caer una piedra en el agua. En esta analogía, el agua es el fluido de electrones, la perturbación es una desviación de la neutralidad de carga en un punto dado en el fluido de electrones (en lugar de la desviación de la posición de equilibrio de una partícula que se mueve hacia arriba y hacia abajo), y la perturbación que conlleva la salida de la neutralidad de carga es el SPW.

"Darse cuenta de, mientras la perturbación se aleja de su punto de origen, una partícula en la superficie del agua permanece en el mismo lugar; solo se mueve hacia arriba y hacia abajo, "De Los Santos dijo PhysOrg.com . "Por lo tanto, la propagación de la perturbación no implica el transporte de masa. De hecho, la perturbación [SPW] se mueve a una velocidad más rápida que aquella a la que podrían transportarse las partículas masivas de agua [electrones]. Esto establece, cualitativamente, por qué la velocidad de un SPW es mayor que la de un electrón ".

En comparación, una lógica CMOS convencional se basa en transportar electrones a través de un canal estableciendo una corriente de electrones. Como explica De Los Santos, la corriente de electrones está formada por un conjunto de electrones individuales que individualmente sufren colisiones con impurezas y la red semiconductora de fondo vibrante. Estas colisiones limitan la velocidad máxima, y la mínima disipación de potencia, alcanzable para efectuar una función lógica.

"Entonces, NFL se basa fundamentalmente en el lanzamiento de olas (SPW), propagación y manipulación, y CMOS se basa en la modulación de la conductividad del canal y el transporte de partículas, " él dijo.

En el caso del dispositivo NFL, la clave para optimizar su densidad es encontrar una longitud de dispositivo óptima para la frecuencia de operación deseada.

"Una vez lanzado, Los SPW tienen una vida útil que depende de la distancia a la que se propagan, ”Dijo De Los Santos. “Si el punto en el que se detectan está demasiado lejos del punto de origen, los SPW morirán antes de llegar allí; no se puede realizar ninguna operación lógica. La distancia es demasiado grande el tamaño del dispositivo será demasiado grande, y la densidad del dispositivo será pequeña. Ahora, si el punto de detección está demasiado cerca del origen, los SPW rebotarán / se reflejarán en el punto de detección, y propagarse de regreso al punto de origen, donde se reflejarán nuevamente y se propagarán de regreso al punto de detección y así sucesivamente; esta es una condición de resonancia. En este caso, el dispositivo es pequeño, la densidad es grande, pero lo que tenemos es un oscilador. Sin embargo, si el punto de detección se encuentra a una distancia tal que el SPW se detecta antes de que muera, para que el viaje de ida y vuelta al punto de lanzamiento sea tal que muera antes de llegar allí, entonces tenemos el tamaño de dispositivo correcto, y la densidad de dispositivo adecuada para la NFL ".

Con la limitación de resonancia en mente, De Los Santos predice que la densidad máxima del dispositivo sería la del plasmón más pequeño posible, que es un dipolo eléctrico. Dado que el dipolo eléctrico más pequeño es un átomo, la densidad sería igual a la densidad atómica del área del tipo de átomo utilizado. En comparación con los tamaños de funciones actuales de CMOS, la lógica de la NFL podría potencialmente realizar la misma función en solo una cuarta parte del área.

Además de su potencial de alta densidad, la lógica de la NFL tiene otras ventajas, como una velocidad de funcionamiento rápida y un pequeño requerimiento de energía. Los SPW tienen una velocidad de propagación de aproximadamente mil millones de cm / seg. que es dos órdenes de magnitud mayor que los electrones. En la nanoescala, esta velocidad permite tiempos de conmutación del orden de femtosegundos, o frecuencias de conmutación de aproximadamente 6 THz a temperatura ambiente. En cuanto a la energía, la única potencia requerida es la necesaria para excitar un SPW, lo que puede realizarse con cualquier corriente CC distinta de cero. Mantener el fluido de electrones requiere un consumo de energía insignificante, de modo que el consumo de energía total del dispositivo esté determinado por la corriente mínima detectable.

Además, el concepto de la NFL es compatible con las capacidades litográficas actuales, lo que le permite aprovechar la infraestructura de fabricación de semiconductores establecida. Las puertas lógicas de la NFL también podrían conectarse con la electrónica convencional. En el futuro, De Los Santos planea seguir investigando las posibilidades de la lógica de la NFL.

"Se están realizando investigaciones y desarrollos para abordar el diseño basado en la NFL, en particular, estilos de diseño de lógica asincrónica, e interactuando con electrones, sistemas fotónicos y plasmónicos, ”Dijo De Los Santos. “Se espera que las funciones de circuitos lógicos digitales basados ​​en la NFL desplacen a CMOS como una tecnología que se infiltrará en las computadoras, laptops, y teléfonos móviles a los satélites de comunicaciones, equipos de instrumentación y automóviles del futuro ”.

Más información: Héctor J. De Los Santos. "Teoría de la lógica nanoelectrónica-fluídica (NFL):un nuevo concepto de" electrónica "digital". Transacciones IEEE sobre nanotecnología . Para ser publicado.

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