Quantumeffecten verbeteren transistors

Onderzoekers hebben een reeks transistors gebouwd die dankzij quantummechanische effecten beter presteren dan op grond van de klassieke natuurkunde te verwachten zou zijn. Zo wordt de Wet van Moore opgerekt.

Bij de huidige generatie processors spelen quantumeffecten een steeds belangrijkere rol. Tunneling kan voor lekstromen zorgen en bits kunnen spontaan van een 0 in een 1 veranderen. Naarmate de zogeheten 'nodes' waarop processors worden geproduceerd verder slinken, spelen deze effecten een steeds grotere rol en zorgen ze voor problemen voor de ontwerpers van chips. Een groep onderzoekers van de Texas-universiteit wil niet tegen quantummechanische effecten vechten, maar ze juist benutten om snellere transistors te produceren.

De transistors worden gemaakt van structuren met een diameter van 3 tot 5 nanometer. De onderzoekers maken gebruik van lithografische technieken om de silicium nanodraden voor de transistors te bouwen. De op deze manier geproduceerde transistors bleken een grotere mobiliteit voor elektronengaten te hebben, wat hogere stroomsterktes in de transistors mogelijk maakt.

De onderzoekers ontdekten dat een quantummechanisch effect ten grondslag ligt aan de betere elektronengat-mobiliteit. 'Quantum confinement' is verantwoordelijk voor een beperking van de energiestaten van de elektrongaten, wat betere prestaties van de quantumdraden mogelijk maakt. De Texanen stellen dat hun transistors onder meer in sensors en chipproductie kunnen worden ingezet, en dat de productieprocedés zelfs eenvoudiger zouden zijn dan traditionele lithografie.

Reacties (34)

[AcidBanger]

Heeft iemand een jip en janneke uitleg voor dit ?

[otandreto]

een transistor is een schakelaar, die aan of uit kan zijn. (de 0 en de 1). Dat is waar uit een processor is opgebouwd. Als je een lek stroom krijgt, betekend dat als je de transistor zet in 0, dat hij stroom lekt naar 1. waardoor hij het signaal 1 geeft terwijl het 0 moest zijn. een fout dus. Omdat de transistoren steeds kleiner worden, wordt de kans op lekstromen steeds groter en komen er dus steeds meer fouten in het schakelen voor.

een grotere mobiliteit in de elektronengaten betekend dat elektronen makkelijker van atoom naar atoom kunnen overspringen en dus minder snel over springen naar plekken waar je ze niet wilt.

edit: elektronengaten verhaal even verduidelijkt

[Reactie gewijzigd door otandreto op 1 augustus 2024 04:44]

[Verwijderd]

Wat je zegt kan misschien aannemelijk zijn voor iemand die niet met de materie vertrouwd is maar je maakt wel wat fouten.

In digitale schakelingen (een processor is voor de overgrote meerderheid digitaal) kan een transistor inderdaad het best gezien worden als een schakelaar. Als een bit wordt opgeslagen op een capaciteit dan heb je 2 van die schakelaars, een pmos transistor om de condensator op te laden en een nmos transistor om deze te ontladen. De transistor zelf (en of die open staat of toe, 0 of 1) heeft dus niets te maken met de waarde van de bit die opgeslagen is (een andere 0 of 1). Welk signaal een transistor lekt hangt dus af van het type (dit is niet altijd zo maar in digitale schakelingen meestal wel).

Er wordt ook niet gerekend met een kans op lekstroom. Die lekstroom is er altijd, transistorparameters en spanningen op gate, drain, source en bulk bepalen hoe groot die is. Kleinere transistors betekent grotere lekstroom. Fouten in digitaal schakelen komen niet voor door deze lekstromen omdat deze meerdere ordes van grootte verschillen met de stromen die vloeien als een transistor aan staat. Als je op een punt een spanning hebt staan, bv de voedingspanning omdat de pmos open staat. Dan zal de nmos dit punt nooit kunnen ontladen.

Grotere mobiliteit betekent idd dat elektronen makkelijker bewegen maar het voordeel is niet dat ze minder snel springen naar plekken waar je ze niet wil. Ik snap niet goed wat je hiermee bedoelt. Elektronen en gaten bewegen als je een potentiaal aanlegt die groot genoeg is. Daarnaast zijn er nog wat effecten als bulkeffect en tunneling maar ik weet zo niet of mobiliteit daar goed of slecht voor is.
Mobiliteit zorgt vooral voor een grotere drain-source stroom in de transistor als deze open staat. (mobiliteit is de µ in volgende formule:)
http://upload.wikimedia.org/math/a/7/1/a713a6eb38e5a4f0531a014f183e9fc8.png
Ze spreken hier over de mobiliteit van de holen en dit is positief omdat holen typisch 2.5 keer trager zijn dan elektronen. Daarom kunnen pmos transistors kleiner gemaakt worden (in digitale schakelingen hebben deze meestal een grotere breedte/lengte verhouding dan nmossen om dit effect te comenseren). Dus voor de zelfde oppervlakte zul je snellere transistoren hebben. Of minder oppervlakte voor dezelfde snelheid.

[DaManiac]

Door het steeds kleiner worden van productieprocessen worden transistoren (waarvan er miljarden in een processor zitten) ook steeds kleiner. Omdat er dan (relatief gezien) met grote spanningen gewerkt wordt, wordt het voor elektronen makkelijker om door de wand van transistoren heen te bewegen (tunneling, een quantum-effect). Dit wil je natuurlijk niet, je wil ze in je draadje of in je bitje hebben!

Door dit tunneling-effect kunnen bits (een heel klein condensatortje, dat of gevuld is met elektronen (1) of leeg is (0)) veranderen omdat elektronen door de wand van het condensatortje heen kunnen, hetgeen natuurlijk niet goed is.

De onderzoekers hebben een manier gevonden om toch grote stromen door een kleine transistor te krijgen, zonder dat de bitjes "omklappen".

@otandreto:
Het artikel spreekt over elektron-gaten (nederlands), niet over elektronengate (engels).
Een elektron vormt samen met een elektrongat een elektron-gat-paar. De mobiliteit geeft aan hoe makkelijk een elektron kan overspringen, waardoor er een elektrongat beweegt.

[Reactie gewijzigd door DaManiac op 1 augustus 2024 04:44]

[Verwijderd]

Ook hier een hele reeks halve waarheden, ik zou deze post en die van otandreto wat minder geven op de niveauschaal, het klinkt ook weer aannemelijk maar juist is het niet echt.

Idd de stroom wordt relatief groter voor de transistoren (door een lagere treshold spanning van de transistoren) en hierdoor kan tunneling makkelijker optreden = lekstroom. Het gaat hier wel over lekstroom door de schakelaar (van source naar drain) die toe staat en niet van in de transistor naar het substraat of naar weet ik waar je bedoelt.

Een condensatortje dat "gevuld is met elektronen" gaat niet door het tunneling effect elektronen verliezen, ze gaan volgens jou door een wand van de condensator, wat fout is. Een condensator is op chip 2 metalen plaatjes met een oxide tussen. De lek hiertussen is verwaarloosbaar tov de lekstromen van transistors. Als een condensator ontlaadt is dat door het tunnelingeffect van de transistor (want daar zit de pn junctie waar tunneling optreedt).

De uitspraak "De onderzoekers hebben een manier gevonden om toch grote stromen door een kleine transistor te krijgen, zonder dat de bitjes "omklappen"." is niet waar. In het artikel staat dat ze mobiliteit van de holen hebben vergroot, hierdoor is grotere source-drain stroom mogelijk maar bitjes omklappen kan nog altijd, heeft niks te maken met die µ factor.

En die laatste zin moet zijn De mobiliteit geeft aan hoe makkelijk een elektron kan overspringen, waardoor er een elektrongat beweegt.

[DaManiac]

Er werd gevraagd naar een jip-en-janneke uitleg, dus heb ik die gegeven
Jouw verhaal lijkt niet echt meer op een jip-en-janneke uitleg...

Ik heb niet aangegeven waar de condensator lekt, alleen dat hij kan lekken door tunneling (wand is een relatief begrip, zeker bij quantumfysica omdat een potentiaalbarriere voor elektronen al een wand is, zij het permeabel door tunneling waarop de kans toeneemt bij grotere stromen en lagere spanning van de potentiaalbarrière). Dat dit in dit geval gebeurt door de transistor die ervoor zit, klopt helemaal.

Je verhaal over source-drain stroom en grotere mobiliteit spreekt zichzelf een beetje tegen. Een grotere gaten-mobiliteit in source-drain zou een grotere stromen mogelijk maken en dus tevens de kans vergroten op lekstroom...

Wat betreft de laatste zin heb je helemaal gelijk, het gaat hier om de mobiliteit van de gaten, niet elektronen.

[otandreto]

@DaManiac:
listige taal dat nederlands. maar je heb helemaal gelijk. zal het ook even aanpassen, dan ontstaat er minder verwarring. bedankt

[Dooxed]

In de bron wordt het iets beter uitgelegd.
Door de kleine afmetingen gedraagt het halfgeleider materiaal zich anders dan normaal.
Als er een vrij electron in een halfgeleider materiaal is, is er een bijbehorend positief 'gat' dat ook kan bewegen en dus ook bijdraagt aan de stroom. Zie:

http://nl.wikipedia.org/wiki/Elektronengat

Doordat de afmetingen klein zijn, kunnen de electronen en gaten maar een aantal verschillende energieen hebben i.p.v. een hele band aan energieen. Vergelijk bijvoorbeeld een bal: die kan een hele set aan snelheden en dus kinetische energieen hebben. Als je deze bal echter tussen twee muren zet en aanneemt dat de bal zich gedraagt als golf (alles is een golf in de quantummechanica), dan kan de bal alleen snelheden / golflengtes aannemen die tussen de muren passen. Dit heet 'quantum confinement'. Het aantal mogelijke energieen wordt zo beperkt. Zie ook de eerste illustratie op

http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_mechanics

In het systeem hierboven zorgt quantum confinement ervoor dat de gaten ongeveer dezelfde energieen hebben i.p.v. een hele band. Bij deze energieen is er minder weerstand en is dus de mobiliteit hoger en verlies aan wamte lager dan wanneer de gaten alle energieen kunnen hebben.

Edit: kleine verduidelijking

[Reactie gewijzigd door Dooxed op 1 augustus 2024 04:44]

[Verwijderd]

Ook hier weer fouten troef, elektronen en holen hebben altijd maar een aantal mogelijk energie-staten. Dit heeft niets te maken met de afmetingen (van de transistors bedoel je hopelijk want elektronen zijn altijd even groot).
Die conclusie dat de mobiliteit dus hoger is omdat er maar een aantal energie states zijn slaat dus op weinig want dit is zelf bij de grootste transistors zo.

[Verwijderd]

vind het wel behoorlijk ironisch dat de wet van Moore wordt uitgesproken als ' More ' ...


In ieder geval: Ik zit zelf in de Engineering, dus ik weet hoe ontwerpprocessen kunnen lopen. Tegen een probleem vechten is eigenlijk niet de manier, zoals hier maar weer bewezen wordt. Je problemen gebruiken om een beter product te ontwerpen, dat is gewoon slim.

http://www.glohse.com/wp-...ads/2010/05/CPU_Speed.jpg

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 1 augustus 2024 04:44]

[HerrPino]

ff een kleine url fix:
http://www.glohse.com/wp-...ads/2010/05/CPU_Speed.jpg

[Thedr]

vind het wel behoorlijk ironisch dat de wet van Moore wordt uitgesproken als ' More ' .../

Foutje... Zou inderdaad leuk zijn, maar het moet uitgesproken worden met een 'oe'. Althans volgens een oud-docent van me die de beste man heeft ontmoet, waarbij hij zich voorstelde als 'Moer(e)". Toch leuk om tijdens een college ook dit soort dingen tusssen de soep en aardappelen door te horen

[Reactie gewijzigd door Thedr op 1 augustus 2024 04:44]

[Rob Coops]

Dus als ik het goed lees, roepen ze eigenlijk dat ze transistors hebben gebouwd die 3 to 5nm meten (in plaats van de 25 tot 32nm die nu gebruikt wordt) en dat deze transistors simpeler en dus neem ik aan goedkoper gemaakt kunnen worden terwijl ze ook nog eens beter presteren.
Op de een of andere manier klinkt dit toch een beetje te goed om waar te zijn. Het zou geweldig zijn als het waar is maar op de een of andere manier heb ik toch zo'n gevoel dat deze cowboys toch nog wat beren op de weg zullen tegen komen voor dit verhaal ook echt in chips zal verschijnen.

Het is natuurlijk niet geheel ondenkbaar dat het wel waar is maar realistisch gezien denk ik dat we nog wel een paar jaar van een chip met een 5nm feature size af zitten als dat al echt mogelijk zal zijn. Als er namelijk iemand een scheet laat op een paar meter afstand van de machine dan kon dat al eens genoeg zijn om de transistor net niet goed te produceren waardoor met een beetje pech de hele chip weg gegooid kan worden. Het lijkt me dat zeker voor massa productie het nog wel eens moeilijk zou kunnen zijn om ook echt chips met zo'n feature size te gaan produceren.

[Bafti]

Kleiner en sneller zijn zeer sterk aan elkaar verwant in dit geval. Omdat de kloksnelheid van je chip wordt beperkt door de snelheid waarmee elektronen door de chip bewegen. Deze snelheid kan worden opgevoerd tot nabij de lichtsnelheid als je tot tegen het absolute nulpunt koelt. Dit is echter niet realistisch voor de meeste mensen. Daarom wordt steeds de afstand verkleind die de elektronen moeten reizen. Als de afstand 2x zo klein is is de reistijd 2x zo klein (niet helemaal waar omdat er bepaalde quantumeffecten optreden op deze schaal)

Makkelijker te produceren is waarschijnlijk bedoeld in vergelijking met de huidige transistors op een schaal van 3nm. Dus ook dat is niet geheel onverwacht.

Bij dit soort bevindingen is het altijd maar de vraag hoe lang het duurt voor het realiseerbaar is voor de consument.

[Verwijderd]

Die uitleg van afstand 2x zo klein dus reistijd zo klein klopt niet. Elektronen in een baantje op chip bvb kan je bezien als tandpasta. duw op het einde van een tube en er komt aan het begin meteen tandpasta uit, dat is niet die tandpasta waar jij op duwde.
Stroom door een transistor is evenredig met de breedte/lengte verhouding van die transistor. kleinere lengte betekent hogere stromen. "snellere elektronen" in jou denkwijze.

[otandreto]

Dit maakt voor mij weer even duidelijk dat als je naar verbetering zoekt, dat je dan soms ook even flink in de 'verkeerde' richting moet zoeken. Dit zijn nou welkome ontwikkelingen, jammer dat het dan altijd zo lang duurt voordat het op de (consumenten) markt komt.


edit: spel fout

[Reactie gewijzigd door otandreto op 1 augustus 2024 04:44]

[Verwijderd]

Wat vaak zorgt voor de grote tijd tussen ontwikkeling en consumentenmarkt is dat je normaal eerst slechts een "proof of concept" hebt. Daar laat je dus zien dat het mogelijk is om te doen. Maar dan moet het nog klaar worden gemaakt voor massaproductie, als dat uberhaupt al mogelijk is. Dan moet het ook nog betaalbaar worden voor de consument.
Het grote voordeel hier is dat, zo staat in het originele artikel, de huidige lithografie techniek gebruikt kan worden om het te maken. Daarnaast bestaat nog wel de vraag hoeveel je kan maken per dag. Hoe groot is je massaproductie? Mocht dat ok zijn dat zou je in principe relatief snel een product kunnen maken (een paar jaar heb je toch wel nodig natuurlijk).
Wat wel aangegeven wordt is dat de industrie dit wel als een mogelijkheid moet zien, waar nu vooral de focus op grafeen ligt.

Ik ben erg benieuwd, vooral omdat gezegd wordt dat de huidige techniek gewoon gebruikt kan worden, of en hoe snel dit toegepast gaat worden.

[Aham brahmasmi]

edit: spel fout

Daar hoort geen spatie tussen.

[Wubinator]

In het artikel is voor mij niet direct duidelijk wat voor quantummechanisch effect nou precies (en hoe) gebruikt wordt.

[FooLsKi]

Uit het artikel:

'Quantum confinement' is verantwoordelijk voor een beperking van de energiestaten van de elektrongaten, wat betere prestaties van de quantumdraden mogelijk maakt

[Damusic2me]

@wubinator

'Quantum confinement' is verantwoordelijk voor een beperking van de energiestaten van de elektrongaten,

Het lijkt mij dat ze t hier over hebben.
http://en.wikipedia.org/wiki/Potential_well voor details.
Alleen snap ik niet helemaal waarom de wet van Moore hiermee wordt opgerekt.
Al jaren lees je 2 x per jaar, dat de wet van Moore niet lang meer stand kan houden, dankzij reden X of reden Y. Vervolgens lees je weer zo'n bericht, en duurt t weer een half jaar voordat het spelletje opnieuw begint.

Moore's Law:

The number of transistors that can be placed inexpensively on an integrated circuit doubles approximately every two years.[1] This trend has continued for more than half a century and is expected to continue until 2015 or 2020 or later

[Reactie gewijzigd door Damusic2me op 1 augustus 2024 04:44]

[Verwijderd]

Moore wordt opgerekt omdat je met een grotere mobiliteit van holen grotere stromen in pmos transistoren kan bereiken. Omdat mobiliteit van holen minder goed is dan van elektronen zijn pmos transistoren in digitale schakelingen meestal groter dan nmos transistoren. Die kunnen dus kleiner voor dezelfde snelheid.
Hierdoor moeten ze de minimale lengte van de transistoren niet halveren om Moores law te halen maar kan die iets groter gepakt worden omdat hiermee wat plaats wordt bespaard.

[Verwijderd]

Het "rekken" van Moore's law is een onzeker bezigheitje. Wel is het zo dat elke 2 jaar de snelheid is verdubbeld. Dit kan oneindig door gaan, maar kan misschien ook maar 10 jaar in stand worden gehouden. Zoiets ligt aan onze kennis en wat we kunnen.

Men verwacht altijd dat het "maar" zoveel jaar mee kan gaan. Ze geven jullie deze cijfers alleen omdat jullie graag dingen "zeker weten" wil hebben.

In de wetenschap is er niets zoals "zeker weten"... en dat zal er ook nooit zijn.

....half a century and is expected to continue until 2015 or 2020 or later.

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 1 augustus 2024 04:44]

[Verwijderd]

Erg mooi dat Moore nu misschien omzeilt kan worden.

Het zou wel eens mooi zijn als er een brug wordt gevonden tussen de quantummechanica en de "normale" wereld, dat zou zeker voor een nieuwe technologische revolutie zorgen zoals de wereld nog niet gezien heeft denk ik.

[robvanwijk]

Hoe bedoel je "dat Moore nu misschien omzeilt kan worden"; (de wet van) Moore wordt hiermee juist weer ietsje langer in stand gehouden...

Het is nog verre van duidelijk of quantum-effecten überhaupt wel mogelijk zijn in "de normale wereld" (correcter: "op macroscopische schaal"). Stond twee (?) maanden geleden iets over in de NWT als ik me goed herinner (de NWT met Schrödinger's Kat op de kaft).

Edit:
Het was "Op de grens tussen quantum en klassiek" in het februari nummer. Helaas is online alleen een teaser te vinden, geen inhoudelijke samenvatting.

[Reactie gewijzigd door robvanwijk op 1 augustus 2024 04:44]

[Verwijderd]

Bij de berekening van maximale golfhoogten is dankzij de quantummechanische effecten duidelijk geworden dat het huidige lineaire model niet klopte en dat een quantum-mechanische model moet worden gebruikt om golven te beschrijven, daarmee hebben ze het bestaan van freak_waves kunnen verklaren. Dus er is al een soort van link nu de echte brug nog want die bestaat natuurlijk wel hij is alleen wat lastig te vinden. Er zijn geen 2 werelden, 1 normale en 1 quantum-mechanische er moet een beschrijving zijn die die 2 samenvat, het zal nog wel even duren ik hoop dat ik het nog ga meemaken (inclusief de technoligische boom die daarna zal ontstaan).

hele interessante docu hierover http://www.pbs.org/wgbh/nova/elegant/program.html totaal iets van 3 uur.

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 1 augustus 2024 04:44]

[brabbelaar]

Moore hoeft niet 'omzeilt' te worden. Hij stelt kort gezegd dat de snelheid van processoren blijft verdubbelen elke twee jaar. Dit leek ten einde te lopen vanwege fysische beperkingen welke nu omzeilt kunnen worden (aldus bovenstaand artikel). Als dat kan wordt de wet van Moore niet omzeilt, maar juist geprolongeerd .

[Verwijderd]

Omzeilen in de trant van dat er geen verdubbeling plaatsvind maar een vertienvoudiging bijvoorbeeld, van mij mag Moore omzeilt worden hoor, no problem.

[Xzylvador]

Snap niet dat zo'n dingen worden uitgevonden in een staat waar "Intelligent Design" en Creationisme meer steun krijgen dan de evolutietheorie...

[Verwijderd]

Dat is vrij simpel uit te leggen:
Evolutietheorie = Wachten totdat transistors vanzelf beter worden.
Creationisme= Zelf een betere transistor ontwerpen.
In theorie werkt de evolutietheorie net zo goed, in de praktijk valt dit nogal eens tegen. Vooral omdat de tweede wet van de thermodynamica de evolutietheorie nogal eens tegenwerkt. In het algemeen kun je stellen dat Creationisme sneller werkt.
Ik dacht eerst dat jouw vraag offtopic was, maar dat is toch niet zo, want juist de tweede wet van de Thermodynamica speelt een grote rol bij kwantumeffecten.
Zoek maar eens op thermodynamica en kwantumeffecten

[Verwijderd]

Creationisme=God die de aarde gemaakt heeft.
Heeft nix te maken met deze transistors dus.
Ik heb deze artiekel als tip ingezonden

[Verwijderd]

http://www.glohse.com/wp-...ads/2010/05/CPU_Speed.jpg

[mrlammers]

Zo wordt de Wet van Moore opgerekt

De 'wet' van Moore is geen wet, maar niet meer dan het soort wijsheden die mijn oma vroeger had: "Een krans om de zon geeft regen in de ton". Juist ja.

Daarnaast bestaan er ook geen natuurkundige wetten, alleen modellen.

@Dead Pixel: Sommige dingen weten we wel zeker. Denk aan relatieve waarheden, maten, of zaken die we zelf gedefinieerd hebben.