Существует мнение, что практически все устройства из разряда Интернета Вещей (Internet of Things, IoT) следующих поколений будут сами снабжать себя требующейся для их работы энергией. Однако, тонкая “струйка” тепловой энергии, энергии света, радиоволн и даже энергии метаболизма колоний бактерий не сможет обеспечить электрический потенциал, необходимый для работы электронных транзисторов. Решением этой проблемы может быть полный отказ от использования транзисторов и замена их наноразмерными быстродействующими электромеханическими переключателями (nanoelectromechanical (NEM) relay).
Подобный переключатель, своего рода самое маленькое электромеханическое реле на сегодняшний день, был разработан специалистами из Калифорнийского университета в Беркли. Это устройство надежно срабатывает при напряжении всего в 50 милливольт, что составляет 15-ю часть от напряжения, требующегося для отпирания транзистора, являющегося основой современных процессоров. Более того, у нового NEM-реле полностью отсутствует ток собственной утечки, который становится все большей проблемой при уменьшении размеров полупроводниковых транзисторов.
Исследователи из Калифорнийского университета работают над созданием микроэлектромеханических систем (MEMS) уже больше десятилетия, уделяя особое внимание их функционированию при низком напряжении. И в конструкции нового NEM-реле были использованы все их достижения в данной области. Вторым новшеством является конструкция контактов реле. В обычных электромагнитных реле надежное срабатывание достигается за счет значительных механических усилий, прикладываемых к контактам, в микроскопическом же реле это решено за счет использования особой формы контактных площадок и нанесения на их поверхность специального “смазочного” слоя одноатомной толщины.
Описанные выше меры позволили уменьшить значение гистерезиса напряжения при работе микроскопического реле, более того, это же самое позволило значительно сократить “звон”, возникающий из-за колебаний подвижного элемента в момент включения и выключения устройства. Благодаря этому работа такого реле весьма близка к работе полупроводникового транзистора и на основе таких реле можно даже строить некоторые типы логических элементов.
С архитектурной точки зрения логика, обеспечиваемая миниатюрными реле, отличается от логики, которую обеспечивают традиционные транзисторы. Эта логика, pass-gate logic, может обеспечить выполнение тех же самых логических функций, требуя меньшего количества элементов, чем при традиционном подходе. Первым логическим узлом, построенным на базе микрореле, стал 32-разрядный сумматор, на котором были продемонстрированы все преимущества нового подхода.
Логические и цифровые схемы, построенные на основе NEM-реле, помимо очень низкого рабочего напряжения, имеют целый ряд других выдающихся характеристик. В отличие от кремниевых полупроводниковых устройств они могут работать при более высоких температурах, кроме этого, релейные схемы совершенно не подвержены воздействию радиации и других форм высокоэнергетического электромагнитного излучения.
В ближайшем времени ученые планирую уменьшить рабочее напряжение NEM-реле, снизив его до 10 милливольт. Параллельно с этим будут вестись работы, нацеленные на возможность интеграции NEM-реле в структуру традиционных CMOS-чипов, а для этого, в свою очередь, может потребоваться обеспечение работоспособности устройства в вертикальном положении. Такие гибридные чипы смогут стать основой высокоэффективных систем, работающих при низком напряжении и подключающих “прожорливые” кремниевые вычислительные ядра только тогда, когда в этом возникает необходимость.