Elektronika przyzwyczaiła nas już do tego, że sprzęt po wyjechaniu z fabryki jest już w dużej mierze tym, czym miał być. Możemy zmienić oprogramowanie, wgrać nowy firmware, przeprogramować FPGA czy inaczej wykorzystać dostępne tranzystory, ale fizyczne właściwości samego materiału półprzewodnikowego już nie. Właśnie dlatego coraz bardziej interesują mnie badania, które próbują podważać nie szybkość współczesnej elektroniki, lecz jej najbardziej podstawowe założenia. Pisałem już o ultracienkim tranzystorze przechowującym całe spektrum stanów oraz o pamięci inspirowanej działaniem mózgu. Tym jednak razem zespół z Princeton University dorzucił do tej układanki kolejny element, bo zamiast przeprojektowywać elektronikę, naukowcy chcą zmieniać ją już po jej wyprodukowaniu.
Właściwości tego półprzewodnika nie są ustalone raz na zawsze
Badacze stworzyli ultracienką strukturę opartą na dwuwymiarowych półprzewodnikach WS2 oraz WSe2 i pokryli ją warstwą cząsteczek azobenzenu reagujących na światło. Po co? Ano po to, aby naświetlanie materiału odpowiednią długością fali sprawiało, że cząsteczki zmieniają swój kształt, a razem z nim zmienia się ich moment dipolowy. Ten z kolei wpływa na koncentrację nośników ładunku w leżącym pod spodem półprzewodniku.
Czytaj też: Przyspieszyli kluczową technologie ponad sto razy. Chiny połączyły chipy światłem
W praktyce otrzymujemy więc coś w rodzaju “optycznej bramki”, która nie wymaga fizycznego przebudowania struktury. Promieniowanie UVA o długości około 365 nm przestawia cząsteczki azobenzenu ze stanu trans do cis, a niebieskie światło w okolicach 450 nm odwraca ten proces. Co najważniejsze, nie mamy tutaj wyłącznie dwóch pozycji odpowiadających klasycznemu “0” oraz “1”. Zmieniając dawkę światła, naukowcy mogli stopniowo regulować przewodnictwo materiału i później cofnąć je do stanu początkowego, co jest wręcz fascynujące, bo cyfrowa elektronika przez dekady nauczyła nas traktować tranzystor jak przełącznik.
Wygląda więc na to, że coraz więcej eksperymentalnych konstrukcji pokazuje, że przyszłe elementy mogą przypominać raczej regulatory, których stan można płynnie przesuwać. Podobną zmianę myślenia widać przy neuromorficznych układach, w których światło zaczyna pełnić rolę pamięci.
Produkcja, która nie trafi na ścianę?
Naukowcy uzyskali jednorodny fragment materiału o boku około 2,54 cm i zbudowali na tej podstawie macierze programowalnych tranzystorów. W publikacji opisali zaś 60 tranzystorów polowych rozmieszczonych na obszarze szerokim na około centymetr. Właściwości wszystkich można było modyfikować światłem, a przestrzenne “programowanie” materiału pozwoliło uzyskać wzory o rozmiarze elementów sięgającym 70 mikrometrów. Nie jest to wprawdzie jeszcze technologia produkcji procesorów, ale różnica między pojedynczym eksperymentalnym tranzystorem a kilkudziesięcioma urządzeniami zachowującymi się podobnie ma ogromne znaczenie.
Jeszcze ciekawiej wygląda trwałość procesu. Po 500 cyklach przeprogramowania zmiana właściwości optycznych spadła o około 10 procent, a zaprogramowany stan pozostawał stabilny przez co najmniej 24 godziny bez zauważalnego samoczynnego powrotu. Jak na tak wczesny etap badań wygląda to obiecująco, choć oczywiście droga od 500 cykli w laboratorium do elektroniki pracującej przez wiele lat w typowym środowisku produkcyjnym, a nawet konsumenckim, jest ogromna. Pamiętajmy bowiem, że naukowcy nie stworzyli jeszcze kompletnego układu scalonego, którego funkcję możemy dowolnie zmieniać światłem.
Droga do reprogramowalnego chipa dla klientów jest jeszcze długa
Zespół ma programowalne tranzystory i materiał działający na sensownej powierzchni, ale dopiero jego kolejnym krokiem ma być połączenie tych elementów w rzeczywisty obwód. Problemem jest też szybkość. W doświadczeniu przejście wywoływane światłem UVA trwało około trzech minut, a przywrócenie stanu światłem niebieskim około pięciu minut. Do klasycznej logiki procesora wykonującego miliardy operacji na sekundę nie ma to więc żadnego startu. Samo tworzenie przestrzennych wzorów przez maskę wymagało jeszcze dłuższej ekspozycji.
Czytaj też: Chip dostał pamięć podobną do mózgu. Potem złamał jej najważniejsze ograniczenie
Mam jednak wrażenie, że patrzenie na ten wynalazek wyłącznie przez pryzmat zastąpienia procesora byłoby błędem. Znacznie bardziej naturalnym zastosowaniem wydają się czujniki, optoelektronika, elementy neuromorficzne i sprzęt, którego zachowanie można dostosować po produkcji do konkretnego środowiska. Wyobraźmy sobie jeden fizyczny komponent, który nie jest na zawsze przypisany do jednej charakterystyki pracy, bo jego właściwości można później zmienić bez produkowania następnej wersji materiału.
Jeszcze niedawno “programowalny sprzęt” oznaczał przede wszystkim zmianę połączeń pomiędzy istniejącymi elementami. Tutaj zaczynamy mówić o programowaniu właściwości samej materii. Do praktycznych układów pozostała długa droga, ale kierunek jest fascynujący. Przyszłość elektroniki może bowiem nie polegać wyłącznie na tym, żeby upchnąć więcej tranzystorów w tym samym miejscu. Być może równie ważne okaże się sprawienie, żeby po opuszczeniu fabryki przestały być na zawsze tym, czym były w dniu produkcji.
Źródła: Princeton University, Science Advances
