Холодная электроника. Новый этап развития технологий

Миллиарды крошечных транзисторов обеспечивают вычислительную мощность современных смартфонов, управляя потоком электронов с помощью быстрого включения и выключения.

Возникновение лишнего тепла в электронике обусловлено банальной потерей энергии. Этот якобы безобидный эффект вызывает сразу две проблемы.

Во-первых, потеря энергии, которая проявляется в виде тепла, уменьшает вычислительную мощность серверов — большая часть энергии исчезает в воздухе вместо того, чтобы использоваться при вычислениях. Во-вторых, операторам и владельцам центров обработки данных, чтобы снизить температуру в ЦОД, нужно тратить приличные деньги на охлаждение всех своих серверов.

Электроника разрушается при длительном воздействии высоких температур

По обеим этим причинам (и некоторым другим, например, связанным с экологией, и долговечностью оборудования – электроника разрушается при длительном воздействии высоких температур), предпринимаются все более активные усилия по созданию максимально совершенных микросхем с прицелом на устранение потерь энергии.

Общая неэффективность транзисторных материалов приводит к потере энергии, что приводит к накоплению тепла и сокращению срока службы батареи, поэтому исследователи стремятся к поиску альтернативных материалов, которые позволяют устройствам работать более эффективно при более низкой мощности.

Машины станут холодными, и все подводимое к ним электричество будет тратиться исключительно на вычисления

Исследователи из Университета Монаш в Австралии и Министерства энергетики США, которые трудятся в Национальной лаборатории им. Лоуренса Беркли (Berkeley Lab), успешно продемонстрировали возможность использования висмутида натрия (Na₃Bi) для создания транзисторов нового типа, которые могут «нести заряд практически без потерь при комнатной температуре». 

Другими словами, при эксплуатации таких транзисторов не будет происходить нагрев состоящей из них электроники. Это один из двух известных сегодня, так называемых, топологических полуметаллов Дирака.

Метод электрической коммутации приблизит появление топологического транзистора, которые способны нести заряд практически без потерь при комнатной температурене. Это значительно уменьшит  и даже исключит нагрев электроники.

Топологические материалы считаются многообещающими кандидатами для электроники следующего поколения, из-за способности переносить заряд практически без потерь. Особенно важно, что, в отличие от сверхпроводников, в них это свойство может сохраняться при комнатной температуре, а также при наличии структурных дефектов и под нагрузкой. 

Серверы без лишнего тепла

Новый «экзотический и ультратонкий материал», как его описывают исследователи, представляет собой идеальную основу для топологического транзистора. Это означает, что материал обладает уникальными настраиваемыми свойствами. Такие транзисторы похожи на сверхпроводники, но, в отличие от сверхпроводников, их не нужно охлаждать.

Топологическая электроника со сверхнизким энергопотреблением поможет решить проблему потери энергии в современных вычислительных системах

Сверхпроводимость, обнаруженная в некоторых материалах, частично устраняет электрическое сопротивление за счет сильного охлаждения. В обычной ситуации упаковка большего количества транзисторов в устройства малого размера ведет к физическим ограничениям, связанным с охлаждением.

Но топологическая электроника со сверхнизким энергопотреблением способна изменить ситуацию, являясь потенциальным ответом на растущую проблему потери энергии в современных вычислительных системах.