Vēl viens trūkstošais komponents varētu radikāli mainīt elektroniku

1971. gadā Leons Čua, jauns elektronikas inženieris Kalifornijas universitātē Bērklijā, sāka strādāt pie pamata matemātiskās sistēmas elektronikai. Viņa teorija balstījās uz saistību starp lādiņu, strāvu, magnētisko plūsmu un spriegumu un veidu, kā šie elektromagnētiskie lielumi mainās, šķērsojot rezistoru, kondensatoru un induktoru pamata ķēdes elementus.

Strāva, kas iet caur rezistoru, rada spriegumu. Pie noteikta sprieguma kondensators uzglabā noteiktu lādiņa daudzumu. Un strāva, kas iet caur induktors, rada magnētisko plūsmu. Bet Čua redzēja, ka kaut kā trūkst — attiecības starp lādiņu un magnētisko plūsmu.

Viņš apgalvoja, ka pastāv ierīce, kas savienotu šos divus daudzumus, ko viņš sauca par memristoru, taču viņš par to maz domāja vairāk nekā 30 gadus. Pēc tam 2004. gadā Hewlett-Packard laboratoriju pētnieki paziņoja, ka ir izveidojuši memristoru un ka tam piemīt ārkārtēja spēja uzglabāt informāciju, neizmantojot jaudu. Tas bija kā rezistors ar atmiņu.

Kopš tā laika šī komanda un citi ir iesaiņojuši memristorus mikroshēmās, lai cita starpā modelētu veidu, kā cilvēka smadzenes apstrādā informāciju. Un citi pētnieki ir sākuši meklēt memkondensatorus un meminduktorus, kas ir analogas citu pasīvo elektronisko komponentu versijas.

Šis stāsts rada interesantu jautājumu. Vai vēl ir jāatklāj citi elektroniskie elementi, un, ja jā, ko tie darītu?

Šodien mēs saņemam atbildi, pateicoties Sungsik Lee darbam Pusanas Nacionālajā universitātē Dienvidkorejā. Kamēr Chua koncentrējās uz pasīviem elektroniskiem komponentiem, piemēram, rezistoriem un kondensatoriem, Lee ir pētījis aktīvo elektronisko komponentu, piemēram, tranzistoru, īpašības. Viņš saka, ka ir atklājis vēl vienu trūkumu un ka trūkstošajai ierīcei, ja to varēs uzbūvēt, būs nopietnas sekas elektronikas nākotnei.

Lī argumentācija koncentrējas uz visievērojamāko aktīvo elektronisko ierīci: tranzistoru. Tam ir izeja, kuru var pārslēgt ar strāvas vai sprieguma ieeju. Citiem vārdiem sakot, tranzistors ir veids, kā ieslēgt un izslēgt strāvu.

Bet nav salīdzināmas ierīces sprieguma pārslēgšanai. Viņš vēlas aprakstīt šādu ierīci.

Tranzistori ņem ieejas signālu un pārsūta to uz pašreizējo izeju, gluži kā mainīgu rezistoru. Līdz ar to nosaukums - pārsūtīšanas un rezistora kombinācija. Turpretim ierīce, ko viņš iedomājas, pārnestu ieejas signālu uz sprieguma izeju, piemēram, mainīgu kondensatoru. Tāpēc Lī to sauc par trancitoru.

Viņš turpina ieteikt, kā to varētu izmantot. Viens acīmredzams pielietojums ir savienot pārī tranzitoru un tranzistoru, lai izveidotu ķēdes, kas ir daudz vienkāršākas un energoefektīvākas nekā esošās konstrukcijas. Piemēram, Lī parāda, kā būtu iespējams izveidot vienkāršu sprieguma pastiprinātāju, izmantojot vienu trancitoru un vienu tranzistoru. Turpretim šīs shēmas parastajai versijai ir nepieciešami četri tranzistori.

Lī turpina simulēt šādu ķēdi un saka, ka rezultāts ir mazāks, mazāk enerģijas izsalcis un ātrāks nekā parastās ķēdes, kurās ir tikai tranzistors.

Tam ir būtiska ietekme uz elektroniskajām ierīcēm. Tranzistoru-trancitoru shēmas aizņemtu ievērojami mazāk vietas, izmantotu mazāk enerģijas un strādātu ar lielāku ātrumu nekā parastās shēmas. Trancitori radītu jaunu elektronikas paradigmu, saka Lī.

Bet ir svarīgs neatbildēts jautājums — kā izveidot trancitoru.

Lī saka, ka viņa jaunā ierīce varētu darboties, izmantojot labi zināmo Hola efektu, kas rada spriegumu pāri vadītājam, kad magnētiskais lauks tiek pielietots virzienā, kas ir perpendikulārs strāvai. Taču nav skaidrs, kā to varētu izmantot nanometru mērogā ar CMOS saderīgās shēmās.

Mūsdienu elektroniskās shēmas ir optimizētas vairāku gadu desmitu laikā, tāpēc jebkurai jaunai ierīcei būs jāpaveic kaut kas līdzīgs.

Viens no iemesliem, kāpēc Chua memristors atrada tik ilgu laiku, bija tas, ka materiāla īpašības, kas ļauj tam darboties, var manipulēt tikai atomu mērogā. Līdz ar to vēl salīdzinoši nesen nebija iespējas to izveidot efektīvi.

Hallas efekts noteikti darbojas subatomisko lādiņu nesēju mērogā. Tātad viss, kas mums tagad vajadzīgs, ir kāds uzņēmīgs elektronikas inženieris, lai atrastu veidu, kā izveidot trancitoru un likt to izmantot.

Atsauce: arxiv.org/abs/1805.05842 : trūkstoša aktīva ierīce — trancitors jaunai elektronikas paradigmai

paslēpties