As fábricas de microchip nos Estados Unidos podem amontoar bilhões de transistores de processamento de dados em um minúsculo chip de silício, mas um dispositivo crítico, em essência um “relógio”, para cronometrar a operação desses transistores deve ser feito separadamente – criando um ponto fraco na chip de segurança e a linha de abastecimento. Uma nova abordagem usa materiais e técnicas de fabricação de chips comerciais para fabricar transistores especializados que servem como bloco de construção desse dispositivo de temporização, abordando o ponto fraco e permitindo novas funcionalidades por meio de integração aprimorada.
“Você teria um chip que faz tudo, em vez de vários chips, vários métodos de fabricação e vários conjuntos de materiais que devem ser integrados – geralmente no exterior”, disse Dana Weinstein, professor de engenharia elétrica e de computação da Purdue University, que está desenvolvendo ressonadores acústicos. com os processos usados para produzir transistores de efeito de campo (FinFETs) padrão da indústria. “Há uma necessidade de a América aprimorar suas capacidades na fabricação de chips, e um avanço dessa natureza atende a várias preocupações na cadeia de suprimentos, segurança nacional e segurança de hardware. Ao mover todo o relógio dentro do processador, você protege o dispositivo contra falhas de relógio ataques, e você habilita novas funcionalidades, como impressão digital acústica do chip empacotado para detecção de adulteração.”
Como todos os transistores – os dispositivos que sustentam a microeletrônica moderna – os FinFETs são uma porta liga/desliga ativada por tensão. Como o próprio nome sugere, um FinFET passa uma corrente ao longo de uma aleta de material semicondutor que passa pelo portão. No estado fechado ou desligado, a aleta não conduz eletricidade. Uma tensão aplicada ao topo do portão cria uma carga elétrica na aleta, permitindo que a eletricidade flua em um estado aberto ou ligado.
Mas os transistores devem estar sincronizados para realizar operações de microprocessadores, sensores e rádios usados em todos os dispositivos eletrônicos. Os dispositivos que fazem isso são construídos sobre o som, a frequência ressonante que algumas estruturas emitem, assim como uma tigela de vidro pode soar uma nota específica quando tocada. A onda de repetição regular desse chamado ressonador acústico serve como uma cadência que é incorporada a um sistema microeletromecânico maior e usada para marcar o tempo. Os ressonadores microeletromecânicos comerciais atuais não podem ser fabricados em um processo de fabricação de chip padrão e devem ser feitos separadamente e posteriormente agrupados com microchips para uso.
A inovação de Weinstein é construir um ressonador acústico com o repertório existente de materiais e técnicas de fabricação disponíveis em uma fábrica de chips semicondutores de óxido de metal complementar padrão. Em um artigo recente em Natureza Eletrônica, sua equipe de pesquisa relata seu design mais avançado até o momento. Usando um processo comercial executado na instalação Fab 8 da GlobalFoundries em Nova York e descrito no manual de design da tecnologia GlobalFoundries 14LPP FinFET, os membros da equipe fabricaram um conjunto especializado de FinFETs capaz de produzir uma frequência na faixa de 8 a 12 gigahertz, que excede a taxas de clock nativas típicas de microprocessadores.
A solução elegante basicamente reaproveita os transistores de processamento de dados em um dispositivo de temporização.
“Com nossa abordagem, a fábrica de chips executa este dispositivo através do mesmo processo que usaria para a unidade de processamento central de um computador ou outro aplicativo”, disse Jackson Anderson, estudante de pós-graduação da Purdue em engenharia elétrica e de computação e primeiro autor do artigo da Nature Electronics. . “Quando o microprocessador e outros componentes estão prontos, o ressonador também está pronto. Ele não precisa passar por mais fabricação ou ser enviado a outro lugar para integração com um chip de microprocessador separado.”
Embora o estado ligado ou desligado de um transistor normalmente direcione a corrente para servir como os 0s e 1s do código binário, todos os transistores também podem ser usados como capacitores para armazenar e liberar uma carga. A equipe de Weinstein faz exatamente isso com matrizes de transistores “drive”, comprimindo e liberando uma fina camada de materiais dielétricos entre a aleta e o portão.
“Estamos espremendo essas camadas entre o portão e o semicondutor, empurrando e puxando aquela região fina entre o portão e a aleta”, disse Jackson. “Fazemos isso alternadamente em transistores adjacentes – um comprimindo, um esticando – criando vibrações lateralmente no dispositivo.”
Os transistores de acionamento são dimensionados para guiar e amplificar as vibrações para construí-las em uma frequência ressonante específica. Isso, por sua vez, estica e comprime o material semicondutor em um grupo adjacente de transistores “sentido”, que altera as características de uma corrente nesses transistores, traduzindo a vibração em um sinal elétrico.
“Cada peça eletrônica de alto desempenho que você possui usa FinFETs”, disse Weinstein. “Integrar essas funções avança nossas capacidades de microeletrônica além de apenas microprocessadores digitais. Se a tecnologia mudar, podemos nos adaptar, mas estaríamos avançando com um sistema de microprocessador integrado.”
Com informações de Science Daily.