Revisión de dispositivos ferroeléctricos para computación inteligente

Informática inteligente (2022). DOI: 10.34133/2022/9859508″ width=»800″ height=»351″/>

Los transistores o «microchips» explican en parte por qué nuestras computadoras portátiles delgadas como el papel pueden realizar tareas mucho más complicadas que sus torpes y gigantescas predecesoras. Para maximizar las capacidades informáticas, los ingenieros están tratando de hacer transistores en el tamaño más pequeño posible y empaquetar miles de millones de ellos en un solo chip de computadora.

Sin embargo, a pesar de la rápida evolución de las técnicas de fabricación, los transistores tradicionales se están acercando a su límite físico (esos dispositivos a nanoescala no pueden darse el lujo de encogerse más después de cierto punto) y eso dificulta el desarrollo de las capacidades informáticas.

Sin embargo, a medida que los datos siguen llegando, la demanda de capacidades informáticas sigue aumentando. Se necesitan dispositivos novedosos, especialmente nuevos dispositivos lógicos y de almacenamiento con mayor velocidad y menor consumo de energía, para liberar nuevas capacidades informáticas al tiempo que se eliminan los principales obstáculos de los sistemas informáticos existentes.

Recientemente, un grupo de investigadores de China señaló los dispositivos ferroeléctricos como una solución prometedora y publicó un artículo de revisión que presenta los materiales y dispositivos ferroeléctricos emergentes para la computación inteligente. La reseña está publicada en Computación Inteligente.

Los materiales ferroeléctricos son bastante versátiles y se utilizan ampliamente como memorias especiales en dispositivos de almacenamiento aeroespacial, entre otros. Tienen características especiales de polarización, una propiedad similar al magnetismo que puede conservarse incluso después de eliminar el campo eléctrico externo. Pero cuando el espesor de la película se reduce a menos de 10 nm, la mayoría de los materiales ferroeléctricos convencionales pierden sus características de polarización a 25 °C y, por lo tanto, no se adaptan al proceso de fabricación de circuitos integrados (CI) a nanoescala.

Los nuevos materiales ferroeléctricos con alto potencial de escalabilidad pueden resolver estos problemas. «El descubrimiento del efecto de polarización en materiales de alto κ, que son los materiales de óxido de puerta comúnmente utilizados para MOSFET a nanoescala [metal-oxide-semiconductor field-effect transistors]es un gran avance para la producción en masa de transistores ferroeléctricos», señalaron los investigadores.

Revisaron dos ejemplos destacados de materiales ferroeléctricos a base de Hf policristalino y a base de óxido amorfo, y describieron brevemente algunos materiales y dispositivos novedosos recientemente informados. Todos ellos son compatibles con el proceso de fabricación de semiconductores de óxido metálico complementario (CMOS).

Para los dispositivos ferroeléctricos de última generación, los investigadores los clasificaron en dispositivos lógicos de baja potencia, células de memoria de alto rendimiento y dispositivos neuromórficos, y resumieron cada uno en detalle. Los resúmenes cubrieron el desarrollo de los dispositivos y sus capacidades para romper el «muro de calor», el «muro de memoria» y el cuello de botella de von Neumann, respectivamente.

Los transistores de efecto de campo de condensador negativo ferroeléctrico (NCFET) como dispositivos lógicos de baja potencia pueden romper la «pared de calor», lo que dificulta la mejora de la frecuencia principal del procesador debido al aumento de la densidad de potencia y al efecto de calentamiento. «Reducir el voltaje de conducción de los chips es un método potencial para romper la ‘pared de calor’, y su viabilidad depende en gran medida de la SS [subthreshold swing] del transistor», explicaron los investigadores.

«Los NCFET ferroeléctricos, junto con el efecto de amplificación de voltaje, pueden superar la tiranía de Boltzmann y lograr un SS de menos de 60 mV/dec. Por lo tanto, se considera que tienen una de las arquitecturas de dispositivos más prometedoras para aplicaciones de potencia ultrabaja y pueden reactivar el rápido desarrollo de la industria de circuitos integrados».

La memoria de acceso aleatorio basada en capacitores ferroeléctricos (FeRAM) y la memoria basada en transistores de efecto de campo ferroeléctrico (FeFET), clasificadas como celdas de memoria de alto rendimiento, muestran un rendimiento excelente en el reemplazo de la memoria de acceso aleatorio dinámico (DRAM) y en aplicaciones integradas.

El condensador ferroeléctrico, a diferencia del condensador DRAM convencional, puede almacenar información a través de la carga Pr, que no es volátil y posee una densidad de carga por área mucho mayor.

«Por lo tanto, reemplazar el material dieléctrico de un dispositivo flash con ferroeléctricos de HfO2 dopado o ferroeléctricos de óxido amorfo para realizar un FeFET es un método alternativo para reducir aún más la potencia o el retraso de estas memorias», dijeron los investigadores. Esto ayudará a cerrar una gran brecha de rendimiento o área entre el dispositivo lógico y la celda de memoria, superando el llamado «muro de memoria».

Además, los FeFET se pueden utilizar como dispositivos neuromórficos para romper el cuello de botella de von Neumann. El cuello de botella de von Neumann se refiere a los problemas de retraso y energía causados ​​por la transferencia de datos ineficiente entre el módulo de memoria y el procesador lógico originalmente separados, para los cuales la computación neuromórfica, la imitación del sistema de neuronas para el procesamiento de información, es una posible solución.

En un sistema neuromórfico, las neuronas artificiales y las sinapsis son los componentes más importantes y, según se informa, los FeFET pueden implementar ambos. Para aplicaciones en neuronas, los FeFET se han utilizado como redes neuronales pulsadas; para aplicaciones de sinapsis artificial que involucran redes neuronales de picos (SNN) y redes neuronales convolucionales (CNN), los FeFET son aplicables debido a su capacidad para realizar simultáneamente funciones de almacenamiento y procesamiento.

Además, las uniones de túnel ferroeléctrico (FTJ) han atraído una atención significativa para las aplicaciones de dispositivos sinápticos debido a su estructura de dispositivo compacta, esquema de lectura no destructivo y altas velocidades de acceso de escritura/lectura.

En conclusión, los investigadores indicaron que si se puede lograr el equilibrio entre la compatibilidad del proceso y el rendimiento del dispositivo, la memoria NCFET, FeRAM o FeFET y los dispositivos de sinapsis ferroeléctrica se pueden integrar en el mismo chip para construir un sistema informático inteligente multifuncional.

«Con base en el progreso logrado en la tecnología de procesamiento de dispositivos ferroeléctricos, la integración de lógica de bajo consumo, memorias de alto rendimiento y sistemas neuromórficos en un chip parece factible con la mejora continua del proceso», enfatizaron. «Esto ayudará a concretar el desarrollo de sistemas informáticos inteligentes de alto rendimiento y alta eficiencia en el futuro».

Proporcionado por Computación Inteligente