Creato un transistor che può essere riconfigurato al volo: benvenuto RFET

I transistor nei processori che abbiamo nei nostri computer svolgono funzioni logiche predeterminate. I ricercatori della TU Wien di Vienna hanno immaginato un futuro diverso, in cui i circuiti elettronici non eseguono un singolo compito, ma sono in grado di adattarsi, cioè assolvere varie funzioni a seconda della situazione, una sorta di riprogrammazione al volo.

Con questo "sogno in testa", il team ha creato dei transistor che possono essere riprogrammati in modo flessibile a livello hardware, dando vita a quelli che hanno definito RFET (Reconfigurable Field-Effect Transistor). Ne hanno parlato su IEEE Spectrum, ma trovate un articolo anche sul portale dell'ateneo.

Tradizionalmente la produzione dei chip prevede il drogaggio, ovvero una contaminazione deliberata del materiale semiconduttore con atomi estranei per alterarne le proprietà elettroniche. Quando questi atomi hanno un elettrone in più rispetto a quelli che li circondano, l'elettrone aggiuntivo può muoversi nel materiale con relativa facilità.

Al contrario, quando hanno un elettrone in meno, gli elettroni circostanti possono spostarsi. Di conseguenza si va a creare una lacuna, un luogo in cui manca un elettrone, e quella lacuna si sposta lungo il materiale semiconduttore. Il drogaggio determina dove e in quale direzione la corrente può fluire e dove no. In poche parole, la funzione dei transistor che tutti conosciamo è decisa durante la produzione e non può essere più modificata.

I transistor RFET sviluppati dalla TU Wien si basano su un differente tipo di drogaggio chiamato "drogaggio elettrostatico", in cui il drogaggio chimico viene sostituito da campi elettrici. Controllando il movimento di elettroni e lacune nel materiale tramite i campi elettrici, questi transistor possono essere riconfigurati dinamicamente per svolgere compiti diversi.

"I nostri transistor riconfigurabili consentono la riconfigurazione delle unità di commutazione fondamentali, piuttosto che l'instradamento delle informazioni verso unità funzionali fisse", ha affermato Walter M. Weber, professore presso l'Institute of Solid-State Electronics della TU Wien. "Questo significa che la natura del nostro approccio è molto promettente per le applicazioni informatiche riconfigurabili e di intelligenza artificiale".

Il team ha presentato per la prima volta questi transistor nel 2021, ma ora ha dimostrato che si possono assemblare tutti i circuiti logici di base. Inoltre, questi circuiti logici possono essere convertiti in altri circuiti riconfigurando i componenti.

Secondo il professor Weber, le semplici celle logiche realizzate indicano che è possibile fabbricare circuiti generici, la cui funzione effettiva può essere definita dopo la fabbricazione.

"Nei nostri dispositivi riconfigurabili (con canali semiconduttori non drogati), stiamo aggiungendo ulteriori elettrodi, i cosiddetti 'program gate' sopra ciascuna giunzione metallo-semiconduttore per filtrare il tipo di portatore di carica indesiderato", ha dichiarato Lukas Wind, uno studente di dottorato della TU Wien. "Con il secondo elettrodo sopra il canale del semiconduttore, il cosiddetto 'control gate', il flusso di corrente attraverso il dispositivo viene controllato per accendere e spegnere il transistor (come nei MOSFET classici)."

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Il campo elettrico applicato non aggiunge calore al transistor, ma gli ulteriori elettrodi di gate applicati a ciascun transistor occupano spazio e per questo gli RFET non potranno essere piccoli quanto i transistor CMOS standard. Di conseguenza, questi transistor potrebbero trovare spazio in determinate applicazioni o coesistere con quelli tradizionali.

La natura riconfigurabile del transistor significa che un circuito può mantenere le stesse funzionalità con un numero minore di transistor, con riflessi positivi su spazio occupato, consumo ed efficienza energetica. Inoltre, il transistor della TU Wien non richiede nuovi processi o materiali, come la perovskite, ma si basa sui classici silicio e germanio.

"Il nostro approccio è molto simile a quello usato nei classici circuiti digitali basati su transistor e potrebbe quindi essere implementato direttamente sullo stesso chip ed estenderne le funzionalità", ha dichiarato Wind. "Il prossimo grande passo sarebbe la fabbricazione su larga scala e di livello industriale di circuiti basati su RFET".

I ricercatori ritengono che i transistor riconfigurabili aprano la strada a soluzioni di sicurezza in hardware, a nuove applicazioni nei circuiti analogici e a progressi nel campo del calcolo neuromorfico (che mima il funzionamento cervello), consentendo di creare sistemi adattivi capaci di autoapprendere.