همکاری دانشمند ایرانی در پروژه موفقیت‌آمیز کاهش ۸۵ درصدی تعداد ترانزیستورهای تراشه

تیمی تحقیقاتی از دانشگاه فنی وین با همکاری دکتر مازیار سیستانی موفق شده است که اساسی‌ترین واحد محاسباتی در کامپیوتر، یعنی ترانزیستور را دگرگون کند و به‌طور ویژه‌ای سبب تکامل سی‌پی‌یوها شود. به‌طور خلاصه، آن‌ها با استفاده از عنصر ژرمانیم (Ge) ترانزیستور جدیدی با ساختار تطبیقی طراحی کردند که پیکربندی خود را در طول اجرای برنامه کامپیوتری مطابق با نیاز حجم کار محاسباتی و البته بدون ایجاد وقفه در اجرا به‌طرز شگفت‌آوری می‌تواند تغییر دهد.

اگر درباره‌ی قدرت بالقوه‌ی این نوع طراحی می‌خواهید بدانید، باید بگوییم قطعاً با توان عظیمی روبه‌رو هستیم؛ زیرا این روش طراحی به شرکت‌ها کمک می‌کند تا ۸۵ درصد کمتر از روش‌های کنونی از ترانزیستور استفاده کنند. همچنین، با کاهش تعداد ترانزیستورهایی که فرایند محاسباتی مشابهی انجام می‌دهند، مصرف انرژی و دما نیز کاهش خواهد یافت که درنتیجه، مقیاس‌بندی فرکانس (Frequency Scaling) و عملکرد بهتر را به‌همراه خواهد داشت.

ترانزیستورها، به‌ویژه ترانزیستورهای اثر میدان (FET)، واحدهای بنیادین و اصلی در ساخت نیمه‌رساناها به‌شمار می‌روند و سه پایه دارند که در همکاری با یکدیگر تجربیات دنیای فناوری را برایمان به‌ارمغان می‌آورند. درست مانند شیرفلکه که جریان آب را کنترل می‌کند، ترانزیستورها نیز سفر جریان الکتریکی از سورس یا Source (پایه اول) به‌سمت درِین یا Drain (پایه دوم) را مدیریت می‌کنند. البته ترانزیستور به‌خودی‌خود آن‌قدر هوشمند نیست و درواقع، اگر به‌‌دلیل وجود الکترودهای کنترل نبود، تقریباً هیچ کاربردی نداشت.

اگر مثال جریان آب و مقایسه‌ی آن با جریان الکتریکی را بسط دهیم و سد را در نظر بگیریم، سد آب زمانی کاربرد دارد که بتوانیم با کمک دریچه‌ خارج شدن یا نشدن آب از آن را کنترل کنیم. بنابراین، برای این منظور به بخش سوم یا در ترانزیستور پایه سوم نیاز داریم که آن را گیت (Gate) می‌نامند. این سه بخش ساده ترانزیستورها به ما اجازه می‌دهند که با قراردادن میلیاردها عدد از آن‌ها روی یک تراشه به قدرت بسیار زیادی دست پیدا کنیم و تراشه‌هایی با عملکرد عجیب داشته باشیم.

ترانزیستورها می‌توانند عملکردهای زیادی داشته باشند؛ اما هر عملکرد به‌تنهایی فرایند ساده‌ای دارد. درواقع، با کنار‌هم قرارگرفتن ترانزیستورهای ساده و کوچک در یک مدار مجتمع می‌توان انتظار ارائه‌ی عملکردی چشمگیر و انجام محاسبات پیچیده را داشت. بدین‌ترتیب، تعداد مشخصی از ترانزیستورها را می‌توان به هسته Zen 3 تبدیل کرد که به شیوه‌ای خاص در‌کنار یکدیگر مرتب شده‌اند. همچنین، امکان تبدیل آن به هسته CUDA انویدیا یا به‌عنوان بلوک اضافی برای حافظه‌ی کش وجود دارد.

استراتژی تیک‌تاک اینتل را در تولید تراشه می‌شناسید؟ با اینکه این استراتژی به تاک‌تاک‌تاک تبدیل شد و ماهیت اصلی خود را از دست داد، در ادبیات سازمانی اینتل به‌طور‌خلاصه هر تاک شامل تغییر در ریز معماری می‌شود که اساساً با هدف بهبود عملکرد ازطریق طراحی و تنظیم مجدد بلوک‌های ترانزیستور در تراشه انجام می‌شود. علاوه‌براین، هر تیک شامل تغییر در تولید نود (Node) می‌شود و به افزایش تعداد ترانزیستورهای روی یک مدار مجتمع منجر خواهد شد.

ازبین‌رفتن استراتژی تیک‌تاک اینتل نشان می‌دهد که چگونه افزایش تراکم ترانزیستورها هر روز دشوارتر می‌شود. با اینکه انواع مواد و طراحی‌ها برای بهبود ترانزیستورها ابداع شده، طراحی اصلی آن‌ها همچنان دست‌نخورده باقی مانده است.

ترانزیستورهای تطبیقی جدید باعث می‌شوند تعداد ترانزیستورهای موردنیاز برای انجام محاسبات مشخص تا ۸۵ درصد کاهش یابد. علاوه‌براین با کاهش تعداد ترانزیستورها، مصرف انرژی و دما و هدررفت انرژی کاهش درخور‌توجهی می‌یابد که درمقابل به عملکرد بهتر و مقیاس‌بندی فرکانس بهتر منجر می‌شود.

دکتر مازیار سیستانی، یکی از پژوهشگران این پروژه، درباره‌ی جزئيات طرح توضیح داد:

در این روش، دو الکترود را با یک سیم بسیار نازک از جنس ژرمانیم و ازطریق رابط‌های مخصوص متصل کردیم. در بالای قطعه ژرمانیمی، یک الکترود گیت مشابه ترانزیستورهای معمولی قرار دادیم؛ اما آنچه موجب تمایز بیشتر ترانزیستور ما می‌شود، قرارگیری یک الکترود کنترل اضافی روی رابط بین ژرمانیم و فلز است که می‌تواند به‌صورت پویا عملکرد ترانزیستور را برنامه‌ریزی و مدیریت کند.

الکترود کنترل اضافی (گیت برنامه‌ریزی) اساساً امکان تغییر رفتار ترانزیستورها را برای پژوهشگران فراهم می‌کند. در حالت معمولی، ترانزیستورهای تک‌الکترودی جریان را ازطریق الکترون‌های آزاد متحرک منتقل می‌کنند که بار منفی دارند یا ازطریق جداسازی یک الکترون از اتم‌ها منفرد انتقال را انجام می‌دهند که آن‌ها را دارای بار مثبت می‌کند. افزودن پلی از جنس ژرمانیم موجب می‌شود که ترانزیستورهای جدید انعطاف و تطبیق‌پذیری بیشتری نشان دهند و در بین دو حالت انتقال جریان به‌راحتی تغییر کنند.

دکتر سیستانی درادامه گفت:

به‌کارگیری ژرمانیم مزیت تعیین‌کننده‌ای برای ترانزیستورهای ما ایجاد کرد. دلیل این امر آن است که ماده‌ی ژرمانیم ساختار الکترونیکی ویژه‌ای دارد. زمانی که ولتاژ به آن وارد می‌شود، طبق انتظار جریان فعلی افزایش می‌یابد؛ اما پس‌ از گذشت آستانه‌ای مشخص، جریان فعلی روند کاهشی به‌ خود می‌گیرد. این فرایند را مقاومت دیفرانسیل منفی می‌نامند. بنابراین، با وجود این ویژگی و با کمک قراردادن الکترود کنترل می‌توانیم مشخص کنیم که این آستانه در کدام ولتاژ قرار گیرد. بدین‌ترتیب، این قابلیت باعث ایجاد سطح جدیدی از آزادی برای ما می‌شود که به ترانزیستورها دقیقاً تنظیماتی را بدهیم که در لحظه نیاز داریم.

خوشبختانه این فناوری به‌زودی اجرایی می‌شود؛ زیرا هیچ‌کدام از مواد به‌کاررفته در صنعت نیمه‌رساناها نوظهور نیستند و نیازی برای ایجاد ابزار یا فرایند خاصی تولید برای ساخت این نوع ترانزیستورها وجود ندارد. گفتی است که هرگونه به‌کارگیری اولیه از این روش در مقیاس محدود انجام خواهد شد و پژوهشگران پروژه‌ی یادشده بر این باورند که ترانزیستورهای تطبیقی جدید آن‌ها می‌تواند به‌عنوان بخشی افزودنی در ساخت نیمه‌رساناهای معینی گنجانده شود تا درصورت نیاز از مزایای آن بهره‌مند شوند.

از دیدگاه شما کاربران newslan می‌توان امیدوار بود که شیوه‌ی طراحی جدید ترانزیستورها به کمبود تولید تراشه نیز پایان دهد؟