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Eficiencia energética de TI: el transistor de un solo átomo en electrolito en gel alcanza el límite de la miniaturización

Eficiencia energética de TI: el transistor de un solo átomo en electrolito en gel alcanza el límite de la miniaturización


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El alto consumo de energía es un efecto secundario bien conocido que proviene de la digitalización. La tecnología de la información (TI) tiene una participación de más del 10 por ciento en el consumo total de energía. Los transistores son el núcleo del procesamiento de datos digitales en los centros de computación, así como en la electrónica de consumo, como computadoras personales, teléfonos inteligentes o incluso en sistemas integrados, desde electrodomésticos hasta aviones.

La imperiosa necesidad de mejorar la eficiencia energética en TI

La informática de alto rendimiento ha puesto la mira en las computadoras Exascale, que son supercomputadoras capaces de realizar 1 millón de billones de operaciones de punto flotante por segundo, o 1 exaflops, para estar en funcionamiento en 2020. El principal problema que enfrentan los que trabajan en Exascale supercomputadoras es la cantidad de energía que consumen.

Hasta hace poco, de acuerdo con la Ley de Moore, los ingenieros solo esperaban que los voltajes operativos de los transistores de silicio siguieran cayendo junto con los tamaños de los transistores. "En teoría, podríamos reducir el voltaje de funcionamiento desde donde está ahora, alrededor de 800 milivoltios, a unos pocos milivoltios", dijo Eli Yablonovitch, ingeniero informático y director del Centro de Ciencias Electrónicas de Eficiencia Energética de la Fundación Nacional de Ciencias de la Universidad de California. Berkeley en 2015. Esperaba que un “interruptor de milivoltios” pudiera ser una solución radical al problema de eficiencia energética de la supercomputación. Avance rápido hasta 2018.

Transistor de átomo único: perspectivas de la electrónica cuántica a escala atómica

Investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruher (KIT) en Alemania, bajo la dirección del físico profesor Thomas Schimmel, han desarrollado el transistor de un solo átomo más pequeño del mundo que funciona en un electrolito en gel que alcanza el límite de miniaturización. Thomas Schimmel es profesor de Física y director conjunto del Instituto en el Instituto de Física Aplicada de la Universidad de Karlsruhe y jefe de investigación en el Instituto de Nanotecnología del Centro de Investigación de Karlsruhe, Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT). El profesor Schimmel también es director científico de la Red de excelencia en nanoestructuras funcionales.

Este componente de electrónica cuántica desarrollado por el equipo del profesor Schimmel tiene la capacidad de cambiar la corriente eléctrica mediante el reposicionamiento controlado de un solo átomo. Trabajando a temperatura ambiente y consumiendo una cantidad mínima de energía, este hito en eficiencia energética brinda nuevas oportunidades a las tecnologías de la información (TI).

Según el Resumen, el transistor de un solo átomo representa un dispositivo electrónico cuántico que funciona a temperatura ambiente. Esto permite el cambio de una corriente eléctrica mediante la reubicación controlada y reversible de un solo átomo dentro de un contacto de punto cuántico metálico.

En el artículo de investigación, Quasi-Solid-State Single-Atom Transistors, publicado en Materiales avanzados, los investigadores explican que el interruptor atómico está completamente controlado por un tercer electrodo de puerta independiente que permite abrir y cerrar un contacto metálico entre la fuente y los electrodos de drenaje mediante la reubicación controlada por voltaje de puerta de un solo átomo de plata. El dispositivo funciona aplicando un pequeño voltaje a un electrodo de control o puerta dentro del electrolito acuoso.

Los transistores atómicos muestran propiedades notables

El desarrollo del transistor de un solo átomo desarrollado por los investigadores de KIT representa la primera demostración mundial de la funcionalidad de un transistor a escala atómica. Esta innovación puede mejorar considerablemente la eficiencia energética en la tecnología de la información. Según el profesor Schimmel, "este elemento de la electrónica cuántica permite conmutar energías más pequeñas que las de las tecnologías de silicio convencionales en un factor de 10.000".

El transistor a nanoescala conmuta la corriente eléctrica mediante el movimiento reversible controlado de un solo átomo. Por el contrario, los transistores convencionales cambian la corriente cambiando localmente las propiedades electrónicas. El transistor de un solo átomo funciona tanto a temperaturas extremadamente bajas cercanas a absolutamente cero (-273ºC) como a temperatura ambiente, lo que representa una gran ventaja para aplicaciones futuras.

Estos transistores representan interruptores cuánticos, los niveles entre los cuales ocurre el cambio se dan las leyes fundamentales de la mecánica cuántica. Este transistor totalmente metálico no utiliza ningún semiconductor, la falta de un intervalo de banda permite el funcionamiento a voltajes muy bajos.

Ventajas de los transistores de un solo átomo

Los transistores de un solo átomo poseen características de corriente-voltaje extremadamente no lineales, lo cual es deseable en muchas aplicaciones. Según los investigadores, estos transistores se pueden fabricar utilizando materiales convencionales, abundantes, económicos y no tóxicos con grandes beneficios para la cadena de suministro de la electrónica.

Al mismo tiempo, abren perspectivas para la conmutación electrónica a frecuencias ultrarrápidas. En su informe, los investigadores dicen que debido a que el proceso de conmutación se logra con potenciales de puerta muy pequeños en el rango de milivoltios, el consumo de energía de tales dispositivos es en órdenes de magnitud menor que el de la electrónica convencional basada en semiconductores.

El futuro de la electrónica cuántica

El desarrollo del transistor de un solo átomo es solo el comienzo de la electrónica controlada activamente en la escala atómica. Sin embargo, abre fascinantes perspectivas para el desarrollo y la fabricación de electrónica cuántica y lógica basada en átomos individuales. Los investigadores esperan el desarrollo de un primer circuito integrado simple y un transistor cuántico multinivel como los primeros pasos alentadores en esta dirección.

El consumo de energía ultrabajo en el futuro desarrollo de circuitos electrónicos a nanoescala depende de la conductividad electrónica a nivel cuántico. El transistor de un solo átomo desarrollado por el profesor Thomas Schimmel y su equipo abre perspectivas intrigantes y absolutamente fascinantes para los campos emergentes de la electrónica cuántica y la lógica a escala atómica.


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Comentarios:

  1. Moke

    Le sugiero que vaya al sitio, que tiene mucha información sobre este tema.

  2. Twein

    Mañana es un nuevo dia.

  3. Ceneward

    Cometer errores.



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