माइक्रोचिप्स में प्रगति के कारण, आज के स्मार्टफ़ोन इतने शक्तिशाली हैं कि उन्हें 1990 के दशक की शुरुआत में सुपर कंप्यूटर माना जाता था।लेकिन कृत्रिम बुद्धिमत्ता और इंटरनेट ऑफ थिंग्स की बढ़ती सर्वव्यापकता - कनेक्टेड उपकरणों का विशाल नेटवर्क जिसने स्मार्ट ग्रिड से लेकर स्मार्ट घरों तक सब कुछ सक्षम किया है - को माइक्रोचिप्स की एक नई पीढ़ी की आवश्यकता होगी जो न केवल लघुकरण और प्रदर्शन के पिछले रिकॉर्ड को पीछे छोड़ देगी बल्किवर्तमान प्रौद्योगिकियों की तुलना में अधिक ऊर्जा कुशल भी हैं।
इस प्रयास के हिस्से के रूप में, बर्कले लैब के वैज्ञानिक बेहतर प्रदर्शन और ऊर्जा दक्षता के लिए कंप्यूटर माइक्रोचिप्स में मूलभूत घटकों में से एक, ट्रांजिस्टर में क्रांति लाने के लिए काम कर रहे हैं।हाल ही का कामनई ट्रांजिस्टर सामग्रियों का वादा दिखाया गया है जो अधिक कुशल मेमोरी और लॉजिक उपकरणों को सक्षम करने के लिए नकारात्मक कैपेसिटेंस नामक एक असामान्य संपत्ति का उपयोग करते हैं।जब किसी सामग्री में ऋणात्मक धारिता होती है, तो वह कम वोल्टेज पर अधिक मात्रा में विद्युत आवेश संग्रहीत कर सकती है, जो पारंपरिक कैपेसिटिव सामग्रियों में होने वाली स्थिति के विपरीत है।
अब, शोधकर्ताओं की एक बहु-विषयक टीम ने नकारात्मक कैपेसिटेंस की उत्पत्ति की एक परमाणु समझ विकसित की है, जो उन्हें विशिष्ट डिवाइस अनुप्रयोगों के लिए इस घटना को बढ़ाने और अनुकूलित करने में सक्षम बनाती है।इस प्रगति को फ़ेरोक्स द्वारा संभव बनाया गया थाखुला स्त्रोत, 3डी सिमुलेशन ढांचा जिसे टीम ने नकारात्मक समाई के अध्ययन के लिए कस्टम-डिज़ाइन किया है।उनका काम थासूचना दीजर्नल मेंउन्नत इलेक्ट्रॉनिक सामग्री.
यह कार्य एक बहुवर्षीय परियोजना, "सीएमओएस माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स से परे अल्ट्रा-लो-वोल्टेज का सह-डिजाइन" के एक महत्वपूर्ण मील के पत्थर का प्रतिनिधित्व करता है, जिसका उद्देश्य नए माइक्रोचिप्स को डिजाइन करना है जो बेहतर प्रदर्शन कर सकते हैं और पारंपरिक सिलिकॉन चिप्स की तुलना में कम ऊर्जा की आवश्यकता होती है।
हालांकि सामग्रियों के विकास को अनुप्रयोगों के साथ निकटता से जोड़ा जाना असामान्य नहीं है, माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स अनुसंधान के लिए बर्कले लैब का सह-डिज़ाइन दृष्टिकोण, जहां भौतिक गुणों की परमाणु समझ विशिष्ट उपकरण आवश्यकताओं द्वारा संचालित और सूचित होती है, अनुसंधान के सभी पहलुओं में लक्ष्यों के बीच संबंध को मजबूत करती है।उपकरण विकास और अंतःविषय टीम विज्ञान पर निर्भर करता है जिसके लिए प्रयोगशाला अनुसंधान एवं विकास से व्यावसायीकरण के मार्ग में तेजी लाने की आशा में प्रसिद्ध है।
"नई सामग्री बनाने में बहुत परीक्षण और त्रुटि होती है। यह एक नया नुस्खा बनाने जैसा है। शोधकर्ताओं को आम तौर पर उस नुस्खा को बदलने के लिए प्रयोगशाला में दिन और रात काम करना पड़ता है। लेकिन हमारे मॉडलिंग टूल, फेरोक्स के साथ, आप अपना उपयोग कर सकते हैंबर्कले लैब के एप्लाइड गणित और कम्प्यूटेशनल रिसर्च डिवीजन के एक शोध वैज्ञानिक और अध्ययन के वरिष्ठ लेखक ज़ी (जैकी) याओ ने कहा, "विशिष्ट पैरामीटरों को लक्षित करने के लिए स्वयं का कंप्यूटर जो नकारात्मक कैपेसिटेंस प्रभाव के प्रदर्शन को प्रभावित कर सकता है।"
याओ और पहले लेखक प्रभात कुमार, एप्लाइड गणित और कम्प्यूटेशनल रिसर्च डिवीजन में पोस्टडॉक्टरल विद्वान, ने माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स सह-डिज़ाइन परियोजना के लिए फेरोक्स के विकास का सह-नेतृत्व किया।
नकारात्मक समाई की परमाणु उत्पत्ति को उजागर करना
2008 में, सह-लेखक सईद सलाउद्दीन, यूसी बर्कले में इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग और कंप्यूटर विज्ञान के प्रोफेसर और बर्कले लैब के सामग्री विज्ञान प्रभाग में वरिष्ठ संकाय वैज्ञानिक, ने पहली बार ऊर्जा-कुशल कंप्यूटरों को डिजाइन करने के लिए एक नया दृष्टिकोण प्रदर्शित करने के लिए नकारात्मक कैपेसिटेंस की अवधारणा का प्रस्ताव रखा।
नकारात्मक धारिता आमतौर पर फेरोइलेक्ट्रिक गुणों वाली सामग्रियों में दिखाई देती है।फेरोइलेक्ट्रिक सामग्रियों में ऊर्जा-कुशल कंप्यूटर मेमोरी के रूप में वादा किया गया है क्योंकि उनके अंतर्निहित विद्युत ध्रुवीकरण का उपयोग डेटा को संग्रहीत करने के लिए किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, जिसे कम-शक्ति वाले विद्युत क्षेत्र का उपयोग करके लिखा और मिटाया जा सकता है।
सलाहुद्दीन के अग्रणी प्रस्ताव के बाद के वर्षों में, शोधकर्ताओं ने यह जान लिया है कि फेरोइलेक्ट्रिक हेफ़नियम ऑक्साइड और ज़िरकोनियम ऑक्साइड (HfO) की पतली फिल्मों में नकारात्मक समाई प्रभाव2-ZrO2) तब होता है जब फिल्में चरणों के मिश्रण से बनी होती हैं।
इसका मतलब है कि फिल्म के छोटे क्षेत्रों या "अनाज" में परमाणुओं या "चरणों" की थोड़ी अलग व्यवस्था होती है।इन चरण अनाजों का आकार छोटा है - केवल कुछ नैनोमीटर भर में - लेकिन विभिन्न चरणों में अलग-अलग इलेक्ट्रॉनिक गुण होते हैं जो एक दूसरे के साथ बातचीत कर सकते हैं और नकारात्मक कैपेसिटेंस जैसी मैक्रोस्कोपिक घटनाओं को जन्म दे सकते हैं।
सलाउद्दीन समूह ने पहले ही इस घटना का उपयोग रिकॉर्ड तोड़ने वाले माइक्रोकैपेसिटर का उत्पादन करने के लिए किया है, लेकिन नकारात्मक कैपेसिटेंस की पूरी क्षमता को अनलॉक करने के लिए, शोधकर्ताओं को इसकी परमाणु उत्पत्ति की गहरी समझ की आवश्यकता है।
ऐसा करने के लिए, याओ और कुमार के सह-नेतृत्व वाली एक बहु-विषयक टीम ने फ़ेरोक्स विकसित किया।ओपन-सोर्स फ्रेमवर्क ने उन्हें फेरोइलेक्ट्रिक पतली फिल्म के 3डी चरण-क्षेत्र सिमुलेशन विकसित करने की अनुमति दी, जिसमें वे इच्छानुसार चरण संरचना को बदल सकते थे और फिल्म के इलेक्ट्रॉनिक गुणों पर प्रभावों का अध्ययन कर सकते थे।
कुमार ने कहा, "हमारा लक्ष्य इन फिल्मों में नकारात्मक क्षमता की उत्पत्ति को समझना था, जिसे अच्छी तरह से नहीं समझा गया है।""हमारे सिमुलेशन प्रयोगशाला में देखी गई नकारात्मक क्षमता में और सुधार के लिए शोधकर्ताओं को किसी सामग्री के गुणों को तैयार करने में मदद करने वाले पहले व्यक्ति हैं।"
परिणामस्वरूप, बर्कले लैब के शोधकर्ताओं ने पाया कि डोमेन संरचना को अनुकूलित करके - फेरोइलेक्ट्रिक अनाज के आकार को कम करके और उन्हें फेरोइलेक्ट्रिक ध्रुवीकरण की एक विशेष दिशा में व्यवस्थित करके नकारात्मक कैपेसिटेंस प्रभाव को बढ़ाया जा सकता है।
याओ ने कहा, "नकारात्मक कैपेसिटेंस को बढ़ाने का यह दृष्टिकोण हमारे अध्ययन से पहले अज्ञात था क्योंकि पिछले मॉडल में डिजाइन स्थान का आसानी से पता लगाने के लिए स्केलेबिलिटी का अभाव था और भौतिकी अनुकूलन का अभाव था।"
याओ इस नई मॉडलिंग क्षमता का श्रेय सलाउद्दीन जैसे सामग्री वैज्ञानिकों के साथ सीधे काम करने को देते हैं, जिन्होंने फेरोक्स विकास टीम को यह समझने में मदद की कि फेरोइलेक्ट्रिक्स के भौतिकी के आसपास अपने मॉडल को कैसे आकार दिया जाए, और बर्कले लैब की अद्वितीय बहु-विषयक ताकत, जहां वैज्ञानिक विषयों के शोधकर्ता हैंऊर्जा विभाग के राष्ट्रीय ऊर्जा अनुसंधान वैज्ञानिक कंप्यूटिंग केंद्र (एनईआरएससी) में पर्लमटर सुपरकंप्यूटर के करीब।
पर्लमटर एक समय में कई ग्राफिक्स प्रोसेसिंग इकाइयों (जीपीयू) की आवश्यकता वाले जटिल सिमुलेशन, डेटा एनालिटिक्स और कृत्रिम बुद्धिमत्ता प्रयोगों का समर्थन करता है।याओ, कुमार और टीम ने फेरोक्स को विकसित करने के लिए पर्लमटर पर काफी भरोसा किया, जो अब अन्य शोधकर्ताओं के लिए एक ओपन-सोर्स फ्रेमवर्क के रूप में उपलब्ध है जो लैपटॉप से सुपर कंप्यूटर तक पोर्टेबल है।
याओ ने कहा, "यह रोमांचक है कि फेरोक्स अकादमिक, उद्योग और राष्ट्रीय प्रयोगशालाओं में शोधकर्ताओं के इतने विशाल समुदाय की मदद करने में सक्षम होगा।"
जबकि वर्तमान अध्ययन में फेरोक्स मॉडल ट्रांजिस्टर गेट पर विकसित होने पर नकारात्मक कैपेसिटेंस की उत्पत्ति का अनुकरण करते हैं, बर्कले लैब टीम भविष्य के अध्ययनों में पूरे ट्रांजिस्टर का अनुकरण करने के लिए ओपन-सोर्स फ्रेमवर्क का उपयोग करने की योजना बना रही है।
सलाउद्दीन ने कहा, "पिछले कुछ वर्षों में, हमने नकारात्मक समाई की भौतिकी और उस भौतिकी को वास्तविक माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में एकीकृत करने दोनों में महत्वपूर्ण प्रगति की है।""फेरोक्स के साथ, हम अब इन उपकरणों को परमाणुओं से शुरू करके मॉडल कर सकते हैं, और यह हमें इष्टतम नकारात्मक के साथ माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को डिजाइन करने की अनुमति देगासमाईप्रदर्शन।कंप्यूटिंग विज्ञान और सामग्री विज्ञान में फैले शोधकर्ताओं के इस सह-डिज़ाइन समूह की ताकत के बिना यह संभव नहीं होता।"
अधिक जानकारी:प्रभात कुमार एट अल, पॉलीक्रिस्टलाइन मल्टी-फ़ेज़ हाफ़निया और ज़िरकोनिया आधारित अल्ट्रा-थिन फ़िल्मों के 3डी फेरोइलेक्ट्रिक चरण फ़ील्ड सिमुलेशन,उन्नत इलेक्ट्रॉनिक सामग्री(2024)।डीओआई: 10.1002/एएलएम.202400085
उद्धरण:नए कंप्यूटर सिमुलेशन वैज्ञानिकों को ऊर्जा-कुशल माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स को आगे बढ़ाने में मदद करते हैं (2024, 12 सितंबर)12 सितंबर 2024 को पुनः प्राप्तhttps://techxplore.com/news/2024-09-simulations-scientists-advance-energy-efficient.html से
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