معادل فسفر گرافیم ترانزیستورهای قابل تنظیم را ایجاد می کند


تصویری از دو مجموعه نمودار میله ای.
بزرگنمایی / یک دروازه ، دو رفتار.

در حال حاضر ، پردازنده های ما روی سیلیکون ساخته شده اند. اما محدودیت های اساسی آنچه با این ماده می توان انجام داد ، محققان را بر آن دارد تا به دنبال راه هایی برای استفاده از موادی باشند که دارای ویژگی های ذاتی کمی هستند ، مانند نانولوله ها یا مواد نازک اتمی. حداقل از لحاظ تئوری ، این به ما امکان می دهد کاری را که اکنون انجام می دهیم ، به سادگی با کارآیی بیشتر و / یا با خصوصیات فیزیکی کوچکتر انجام دهیم.

اما آیا این مواد می توانند به ما اجازه دهند کارهایی را انجام دهیم که سیلیکون قادر به انجام آنها نیست؟ به نظر می رسد پاسخ براساس مطالعه منتشر شده در اوایل هفته جاری است. در آن ، محققان ترانزیستورهایی را توصیف می کنند که می توانند برای انجام عملیات کاملاً متفاوت ، در حالت حرکت پیکربندی شوند. آنها پیشنهاد می کنند که این می تواند برای امنیت مفید باشد ، زیرا از درک عملکردهای خصوصیات امنیتی توسط شرکت کنندگان بد جلوگیری می کند.

دوپینگ علیه امنیت

محققان مستقر در پردو و نوتردام استدلال می کنند که چرا این نوع مدار قابل تنظیم می تواند پیامدهای امنیتی داشته باشد. این به علم مواد ترانزیستورهای سیلیکون برمی گردد. آنها به مناطقی از سیلیکون نیاز دارند که دارای بار منفی یا مثبت باشند (نیمه هادی های نوع p یا n با نام خلاقانه). آنها با دوپینگ یا افزودن مقدار کمی عناصر خاص به سیلیکون ایجاد می شوند. این کار در حین تولید انجام می شود و دوپینگ در آن زمان ثابت است. این به این معنی است که هنگام ساخت تراشه عملکرد تک ترانزیستورها در جای خود قفل می شوند.

این در حال تبدیل شدن به یک مسئله سخت افزاری متمرکز بر امنیت است. اگر هر یک از ویژگی ها در تراشه سیلیکون تعبیه شده باشد (برخلاف اینکه کاملاً مبتنی بر نرم افزار است) ، آنها باید از نظر فیزیکی با خود سخت افزار تراشه درگیر شوند. و از آنجا که این سخت افزار ساکن است ، دانستن محل تراشه به معنای درک چیزی در مورد نحوه کار سخت افزار امنیتی است و به طور بالقوه آسیب پذیری های آن را نشان می دهد. این یک ترس انتزاعی نیست. ما تکنیک های میکروسکوپی پیشرفته ای داریم که می تواند سخت افزار را در سطح مورد نیاز بررسی کند و نشانه هایی وجود دارد که نشان می دهد قبلاً برای این مورد استفاده شده است.

راه حل ، به گفته نویسندگان ، ایجاد ترانزیستورهایی است که در عملکرد خاصی نقش ندارند. و انجام این کار با سیلیکون امکان پذیر نیست. اما معلوم می شود که مواد نازک اتمی که به دلایل دیگری مورد مطالعه قرار گرفته اند ، ذاتاً نیمه هادی های نوع p یا n نیستند. رفتار آنها توسط محیط آنها تعیین می شود ، زیرا بسته به آنچه از طریق سیمهای فلزی اتصال دهنده ترانزیستور به مواد تزریق می شود ، بار مثبت یا منفی را حمل می کنند. بنابراین محققان تصمیم گرفتند آزمایش کنند که آیا آنها واقعاً می توانند ترانزیستور قابل تنظیم را ایجاد کنند.

اگرچه مواد نازک اتمی مختلفی وجود دارد – گرافن ، وزارت بهداشت2و بیشتر – محققان تصمیم گرفتند با چیزی به نام فسفر سیاه کار کنند. این ماده از تعداد زیادی ورق لایه ای تشکیل شده است ، هر ورق کاملاً از اتم های فسفر تشکیل شده است که از نظر شیمیایی به هم پیوند خورده اند. برخلاف گرافن که مسطح است ، پیوندهای شیمیایی فسفر باعث می شود که این ورق ها دارای برآمدگی ها و دهانه های منظمی مانند فلز راه راه باشند. (آخرین باری که از این مواد بازدید کردیم ، برای ساخت باتری های شارژ سریع مورد استفاده قرار گرفت.)

سخت افزار واقعی

فسفر سیاه به این دلیل انتخاب می شود که دارای یک باند کوچک باشد ، به این معنی که برای کار کردن به اختلاف ولتاژ زیادی احتیاج ندارد. متأسفانه ، این به این معنی بود که تفاوت بین حالتهای خاموش و روشن کم است. این مشکل با این واقعیت که سخت افزار به گونه ای طراحی شده است که جریان می تواند در هر دو جهت جریان یابد ، بیشتر می شود. در حالت خاموش ، امکان جریان به جلو یا عقب در سطح پایین وجود دارد ، که ثبت “خاموش” به عنوان کمبود جریان را دشوار می کند.

برای مقابله با این مشکل ، محققان به طور اساسی ترانزیستور را دوباره طراحی کردند. در سیلیکون ، یک ترانزیستور دارای الکترودهای منبع و تخلیه است که اجازه می دهد جریان از طریق ترانزیستور عبور کند ، و یک الکترود بسته است که آن جریان را خاموش یا روشن می کند. محققان برای نسخه برگشت پذیر با فسفر سیاه از دو پورت استفاده می کنند که سیگنال روشن / خاموش را تقویت می کند. آنها همچنین آنچه را “قطبیت” نامیدند ، اضافه كردند كه هنگام قطع شدن دروازه ، جریان جریان را مسدود می كرد.

با وجود آنها در محل ، محققان عملکرد بسیار خوبی را مشاهده کردند: عملکرد ولتاژ پایین و تفاوت آشکار بین حالت روشن و خاموش ، تفاوت با افزایش ولتاژ افزایش می یابد.

NAND ، NOR و XOR

با استفاده از این مکان ، محققان منطق واقعی ایجاد کردند. این یک کلید یک بیتی داشت که وضعیت گیت را تنظیم می کرد. با وجود بیت ها در یک حالت ، سخت افزار عملکرد NAND (غیر) را انجام می دهد. بیت را معکوس کنید و به جای آن یک عملیات غیر یا (NOR) انجام خواهد داد. و بر اساس گرافیک موجود در مقاله ، درست کار می کند. محققان همچنین نشان داده اند که ایجاد چنین دستگاهی امکان پذیر است که فقط با تغییر برخی جزئیات پیکربندی بتواند بین انحصاری یا (XOR) و NOR جابجا شود.

نکته اصلی این است که می توان حالت بیت را در حین اجرا به صورت پویا تنظیم کرد. بدون دانستن وضعیت بیت ، راهی وجود ندارد که بدانید این گیت ها با مشاهده سخت افزار چه عملیاتی را انجام می دهند. حتی اگر از طرح سخت افزاری کاملی برخوردار باشید ، هیچ راهی برای دانستن اینکه این گیت ها چه کاری می توانند انجام دهند وجود ندارد.

آیا این مهم است؟ شاید نه – ما از اجرای هر یک از این مواد جدید در چیزی نزدیک به سخت افزار تولید فاصله داریم. اما دیدن اینکه مورد بررسی قرار گرفته هیجان انگیز است ، زیرا گزارش های زیادی از این قبیل را ندیده ایم. همانطور که نویسندگان استدلال می کنند ، “تحقیقات در این زمینه معمولاً بر روی نشان دادن عملیاتی است که با ترانزیستورهای سنتی نیز می توان به دست آورد و تلاشهایی که سعی در بهره گیری از خصوصیات منحصر به فرد مواد دو بعدی ، مانند دوقطبی بودن ، برای تأمین جدید دارد. ویژگی های نادر است “.

Nature Electronic، 2020. DOI: 10.1038 / s41928-020-00511-7 (برای DOI).


منبع: khabar-tak.ir

دیدگاهتان را بنویسید

Comment
Name*
Mail*
Website*