Notícia

Descoberta pode reduzir o uso insustentável de energia que alimenta a computação

Fonte

Universidade de Wollongong

Data

sexta-feira, 31 dezembro 2021 12:55

Áreas

Energia. Sustentarbilidade. Tecnologias.

Pesquisadores australianos do Centro ARC de Excelência em Tecnologias Eletrônicas de Baixa Energia do Futuro (FLEET) descobriram que a ‘capacitância negativa’ pode reduzir a energia usada na eletrônica e na computação, que representa 8% da demanda global de eletricidade.

Os pesquisadores aplicaram ‘capacitância negativa’ para fazer transistores topológicos comutarem em tensão mais baixa, reduzindo potencialmente as perdas de energia por um fator de dez vezes ou mais.

O Dr. Xiaolin Wang e o Dr. Muhammad Nadeem, pesquisadores da Universidade de Wollongong (UOW), na Austrália, fizeram parte da equipe de pesquisa, e seu trabalho na teoria dos dispositivos quânticos foi fundamental para o estudo.

“Novos tipos de materiais quânticos estabelecem a espinha dorsal dos futuros dispositivos quânticos de alto desempenho. Teoricamente, provamos que a combinação engenhosa de materiais quânticos topológicos e materiais ferroelétricos clássicos pode reduzir muito o consumo de energia dos dispositivos quânticos.”, disse o professor Wang.

A equipe de pesquisa relatou seus resultados muito promissores recentemente no International Electron Devices Meeting em San Francisco, Estados Unidos. Enquanto os desafios permanecem para fazer um dispositivo de bancada funcional, o trabalho resultou em um pedido de patente.

O que são transistores?

Um transistor é uma chave eletrônica. Ele tem três terminais, ou conexões: uma tensão aplicada a um terminal controla a corrente que pode fluir entre os outros dois terminais (chamados de terminais de fonte e dreno). Em chips de computador, os transistores podem estar ‘ligados’ (ou seja, a corrente pode fluir) ou ‘desligados’ (a corrente está bloqueada), representando o ‘1’ e ‘0’ necessários para operações lógicas binárias.

Ligar e desligar um transistor requer o desperdício de uma pequena quantidade de energia elétrica a cada vez. Mas com os chips de computador que fazem todos os nossos dispositivos eletrônicos funcionarem, contendo milhões ou até bilhões de transistores, todos chaveando bilhões de vezes por segundo, isso significa que uma grande quantidade de energia é desperdiçada na forma de calor.

“É por isso que seu telefone ou laptop esquenta quando você está fazendo algo que requer muitos cálculos, como processar um vídeo”, explicou o Dr. Michael Fuhrer, professor  da Universidade Monash, na Austrália.

A tecnologia da informação e comunicação (TIC) consome cerca de 8% do fornecimento global de eletricidade – uma quantidade impressionante de eletricidade que dobra a cada década.

Os chips de computador de hoje são todos feitos de silício, um semicondutor. Semicondutores são isolantes, materiais que normalmente não conduzem eletricidade. No entanto, adicionar um pouco de carga elétrica extra a um semicondutor torna-o condutor.

Essa capacidade do silício de ligar e desligar é a base do transistor de efeito de campo (FET): a porta é conectada por um capacitor a uma fatia do semicondutor que passa entre os terminais da fonte e do dreno. Uma tensão na porta carrega esse capacitor, e a carga extra no semicondutor permite que a corrente flua da fonte para o dreno.

Isolantes topológicos

Em vez de silício, os pesquisadores do FLEET estão trabalhando com novos tipos de materiais quânticos chamados isolantes topológicos. Esses materiais são isolantes em seus interiores, mas conduzem eletricidade em seus limites: se eles forem tridimensionais, então eles conduzem em suas superfícies bidimensionais, e se eles forem muito finos (bidimensionais) eles conduzem ao longo de suas superfícies unidimensionais, as arestas.

Transistores topológicos

Os pesquisadores do FLEET descobriram que um campo elétrico pode ser usado para transformar um material de isolante topológico (que conduz eletricidade ao longo de suas arestas) para um isolante normal (que não conduz de forma alguma). Isso permite que um material topológico seja usado como um transistor, chamado de transistor de efeito de campo quântico topológico (TQFET).

No início deste ano, os pesquisadores do FLEET descobriram que o TQFET pode alternar com uma tensão mais baixa do que um FET convencional, superando a chamada ‘tirania de Boltzmann’, que define o limite inferior para a tensão necessária para alternar uma corrente à temperatura ambiente.

“A comutação de baixa voltagem ocorre devido a um efeito chamado acoplamento spin-órbita, que é mais forte em elementos mais pesados ​​como o bismuto. Descobrimos que os TQFETs baseados em bismuto podiam alternar com metade da tensão elétrica e um quarto da energia de FETs convencionais de tamanho semelhante”, disse o Dr. Nadeem.

Capacitância negativa aumenta transistores topológicos

Recentemente, uma equipe de pesquisadores do FLEET adicionou uma capacitância negativa (um material ferroelétrico) para fazer um TQFET de capacitância negativa (NC-TQFET), o que permite a comutação em tensões e energias muito mais baixas.

Os pesquisadores calculam que um NC-TQFET baseado em bismuto usando HfO2 dopado com La como um ferroelétrico (este material ferroelétrico já foi integrado com sucesso ao silício) poderia atingir dez vezes menos energia de comutação do que um FET de silício de última geração.

No entanto, muitos desafios permanecem para fazer um NC-TQFET funcional em laboratório. Isoladores topológicos baseados em bismuto com a estrutura certa ainda não foram feitos e testados experimentalmente, e integrar esses materiais com camadas ferroelétricas representaria um desafio adicional. Ainda assim, o NC-TQFET fornece um plano claro para reduzir a energia em futuros transistores.

Acesse a notícia completa na página da Universidade de Wollongong (em inglês).

Fonte: Universidade de Wollongong. Imagem: Mariakray via Pixabay.