Naukowcy odkryli, jak „krawędź chaosu” może pomóc chipom elektronicznym przezwyciężyć straty sygnału, czyniąc je prostszymi i wydajniejszymi.
Dzięki zastosowaniu metalowego drutu na półstabilnym materiale metoda ta pozwala, aby długie metalowe linie działały jak nadprzewodniki i wzmacniały sygnały, potencjalnie zmieniając konstrukcję chipa, eliminując potrzebę stosowania wzmacniaczy tranzystorowych i zmniejszając zużycie energii.
Rewolucja w projektowaniu chipów na krawędzi chaosu
Stuknięty palec natychmiast wysyła sygnały bólowe do mózgu przez kilka metrów aksonów, które składają się z mięsistego materiału o dużym oporze. Aksony te działają na zasadzie zwanej „krawędzią chaosu”, czyli półstabilności, umożliwiając szybką i precyzyjną transmisję informacji.
Badania te pokazują granicę chaosu w sztucznym systemie poprzez przewodzenie prądu przez materiał nieorganiczny. Zazwyczaj krawędź chaosu wzmacnia hałas. Jednak w zaskakujący sposób metalowy drut umieszczony na materiale znajdującym się na krawędzi chaosu nie tylko przewodził, ale także wzmacniał przydatne sygnały. Metoda ta skutecznie przeciwdziała stratom rezystancyjnym w metalu, które zazwyczaj pogarszają integralność sygnału.
Nowoczesne chipy elektroniczne składają się z wielu komponentów i rozbudowanego okablowania metalowego, zwanego interkonektami. Przyczyniają się one do znacznych strat sygnału rezystancyjnego, które stanowią główny pobór mocy chipa. Konwencjonalnym rozwiązaniem było podzielenie tych przewodów na krótsze odcinki i włączenie tranzystorów w celu wzmocnienia i przekazania słabszych sygnałów.
To innowacyjne podejście eliminuje potrzebę stosowania wzmacniaczy tranzystorowych i umożliwia długą metalową linię nie tylko osiągnięcie zerowego oporu elektrycznego na poziomie nadprzewodnika, ale także wzmocnienie małych sygnałów. Takie udoskonalenia mogłyby radykalnie uprościć projektowanie chipów i znacznie zwiększyć wydajność.
Postęp w transmisji sygnału w elektronice
Sygnały elektryczne przechodzące przez przewodniki metalowe tracą siłę ze względu na wrodzoną rezystancję metalu. Aby to zrekompensować, tradycyjne metody wymagają wielokrotnego zakłócania przewodu w celu włączenia wzmacniaczy regenerujących sygnał. Technika ta, stosowana od ponad wieku, ogranicza konstrukcję i wydajność nowoczesnych, gęsto połączonych ze sobą chipów. Dla kontrastu, w niniejszej pracy wprowadzono nowe podejście oparte na wykorzystaniu półstabilnej krawędzi chaosu (EOC), reżimu, który naukowcy teoretycznie stworzyli, ale którego wcześniej nie zademonstrowali. Ten tryb wspiera aktywną transmisję sygnału podobną do samowzmacniania obserwowanego w aksonach biologicznych.
Wykorzystanie półstabilnej krawędzi chaosu na rzecz wydajnej elektroniki
Dzięki elektrycznemu dostępowi do przejścia spinowego w kobaltycie lantanowym (LaCoO3) badacze wyizolowali półstabilny EOC i powołali się na ujemną rezystancję i wzmocnienie sygnału w metalowej linii przesyłowej bez potrzeby stosowania oddzielnych wzmacniaczy oraz w normalnych temperaturach i ciśnieniach. Mapowanie termiczne Operando ujawniło, że energia wykorzystywana do utrzymania EOC nie jest całkowicie tracona w postaci ciepła, ale jest częściowo przekierowywana w celu wzmocnienia sygnału, umożliwiając w ten sposób ciągłą aktywną transmisję i potencjalnie rewolucjonizując konstrukcję i wydajność chipa.
Odniesienie: „Aksonowa aktywna transmisja sygnału” autorstwa Timothy’ego D. Browna, Alana Zhanga, Fredericka U. Nitty, Elliota D. Granta, Jenny L. Chong, Jacklyn Zhu, Sritharini Radhakrishnan, Mahnaz Islam, Elliot J. Fuller, A. Alec Talin, Patrick J. Shamberger, Eric Pop, R. Stanley Williams i Suhas Kumar, 11 września 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07921-z
Prace te były wspierane głównie w ramach Centrum Rekonfigurowalnych Materiałów Elektronicznych Inspirowanych Nieliniową Dynamiką Neuronów (reMIND), Centrum Badań nad Pograniczami Energii (EFRC) finansowanego przez Biuro Naukowe Departamentu Energii ds. Podstawowych Nauk o Energii. Program badań i rozwoju ukierunkowanego na laboratorium (LDRD) w Sandia National Laboratories zapewnił wewnętrzne wsparcie reMIND EFRC. Wszyscy autorzy tej pracy korzystali bezpośrednio ze wsparcia reMIND lub programu LDRD.
