Motstandsløs transistor skal få fart på PC-ene

Superledende transistorer vil kunne gi mye raskere prosessorer. Men det gjenstår ennå noen «små» utfordringer.

Del

8. des. 2008 - 11:23

Den elektriske motstanden er blant de største hindringene til å lage enda raskere prosessorer. Motstand fører til varme, noe som har blitt et kjempeproblem i IT-industrien. Dette er hovedårsaken til at prosessorprodusenter som Intel og AMD ikke lenger satser på enda høyere klokkefrekvenser i sine produkter, men i stedet utforsker mulighetene med flere kjerner.

I tillegg til utfordringene dette utgjør for brikkeprodusentene selv, kreves det også mer av utviklerne som skriver programvare som effektivt skal utnytte den samlede regnekraften til to eller flere kjerner.

Nå kan det se ut til at økt klokkehastighet igjen kan bli aktuelt, i alle fall på litt sikt, ved å ta i bruk superledende transistorer. Dette er transistorer som leder strøm uten motstand og dermed uten varmeutvikling.

Allerede i fjor oppdaget Andrea Caviglia og hans kolleger ved Universitetet i Geneve, et lag med frie elektroner som oppstod i grensesnittet mellom strontiumtitanat (SrTiO₃) og lantanaluminat (LaAlO₃) da forskerne dyrket en enkelt krystall basert på disse metalloksidene.

Dette laget med elektroner kalles ifølge New Scientist for en elektrongass og ved temperaturen 0,3 kelvin, altså rett over det absolutt nullpunktet, flyter elektronene uten motstand og danner en superleder.

Nå har den samme gruppen med forskere greit å skru den superledende egenskapen av og på ved å anbringe en spenning til grensesnittet mellom to de metalloksidene. Resultatet er en superledende felteffekttranstor (FET).

En vanlig FET inneholder et lag med et halvledende materiale med én elektrode i hver ende. Disse kalles for «source» og «drain» og danner det som kalles en «kanal». Over denne kanalen er det en elektrode som kalles «gate», som fungerer som en bryter for kanalen. Når det anbringes spenning til gate-en, flyter strømmen gjennom den halvledende kanalen. I motsatt tilfelle har kanalen sterk elektrisk motstand.

Disse to tilstandene kan representere enten 0 eller 1, noe som er grunnleggende i dagens datamaskiner.

Typisk oppbygging av en Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET).

Men ifølge New Scientist er hastigheten som en FET kan svitsje mellom de to tilstandene, begrenset av motstanden i kanalen. Høyere hastigheter skaper mer varme, til slutt så mye at enheten blir skadet av det. Den superledende transistoren, hvor lantanaluminat-siden er benyttes som source-drain-kanal og strontiumtitanat-siden benyttes som gate, er derimot ikke begrenset av motstand i kanalen.

- Uten et elektrisk felt er det ingen motstand mellom source og drain ettersom enheten er superledende, sier Caviglia i en artikkel i Nature. Men når et elektrisk felt tilføres strontiumtitanaten, flytter den tette elektrogassen seg vekk fra grensesnittet og lantanaluminaten slutter å lede strøm.

Artikkelen fortsetter etter annonsen

annonsørinnhold

Energisektoren i endring: Her skal Tietoevry Tech Services trappe opp

Ifølge Caviglia vil datamaskiner som bruker slike transistorer være mye raskere enn de gigahertz-hastighetene som nå er tilgjengelig, samtidig som at de bruker mye mindre strøm.

Sannsynligheten for at superledende transistorer dukker opp i kommersielt tilgjengelige brikker med det første, er likevel svært liten.

For det første er det ingenting som tyder på at transistoren forskerne har laget, er like liten som transistorene man finner i dagens prosessorer. Til Physicsworld.com forteller noen av forskerne at det neste målet vil være å bruke teknikkene innen nanoelektronikk.

Men en minst like stor utfordring er det at de superledende egenskapene bare er tilstede ved ekstremt lave temperaturer, begrenser bruksområdet seg en del. Det er krevende nok å få kjølt ned dagens prosessorer på en effektiv måte, om man ikke skal ned til nesten -273°C.

De siste 20 årene har det blitt forsket mye på å finne materialer med superledende egenskaper ved høyere enn 30 kelvin, som man inntil 1986 mente var den øvre temperaturgrensen. Det ideelle hadde vært å oppnå superledende egenskaper ved romtemperatur, men ifølge Wikipedia har man funnet superledende egenskaper i enkelte materialer ved temperaturer på opptil 138 K, en temperatur som er enkel og relativt billig å oppnå med flytende nitrogen. Spesielt praktisk er det likevel ikke.

Les også: