石墨烯的磷当量使得可重构晶体管

目前，我们的处理器基于硅构建。但是，对于这种材料可以做什么的基本限制使研究人员开始考虑使用具有固有小特征的材料的方法，例如纳米管或原子薄材料。至少从理论上讲，这些将使我们能够以更高的效率和/或具有更小的物理特征来执行我们现在正在做的事情。

但是这些材料可以使我们做硅不能做的事情吗？根据本周早些时候发表的研究，答案似乎是肯定的。研究人员在其中描述了可以动态重新配置的晶体管，以便它们执行完全不同的操作。他们建议这对于安全性可能是有用的，因为它将阻止不良行为者弄清楚如何实现安全性功能。

来自Perdue和Notre Dame的研究人员对为什么这种可重新配置的电路可能带来安全隐患提出了争论。归结为硅晶体管的材料科学。它们需要具有负电荷或正电荷的硅区域（俗称p型或n型半导体）。这些是通过向硅中掺杂或添加少量某些元素来创建的。这是在制造过程中完成的，此时掺杂被锁定到位。这意味着在制造芯片时，各个晶体管的操作会锁定到位。

对于注重安全性的硬件，这成为一个问题。如果任何功能都在硅芯片中实现（而不是完全基于软件），则必须将这些功能物理地致力于芯片硬件本身。并且，由于该硬件是静态的，因此了解芯片布局将意味着对安全硬件的工作方式有所了解，从而可能暴露其漏洞。那不是抽象的恐惧；我们拥有先进的显微镜技术，可以在所需级别上检查硬件，并且有些迹象表明它们已经被用来执行此操作。

作者认为，解决此问题的方法是创建不致力于特定功能的晶体管。而且用硅不可能做到这一点。但是事实证明，由于其他原因而被研究的原子薄材料并不是天生的p型或n型半导体。它们的行为由环境决定，因为它们会携带正电荷或负电荷，具体取决于从连接晶体管的金属导体注入到材料中的物质。因此，研究人员决定测试他们是否真的可以构建可重构晶体管。

尽管存在各种各样的原子薄材料-石墨烯，MoS 2等，但研究人员还是决定使用一种叫做黑磷的材料。该材料由多层片材形成，每个片材完全由彼此化学连接的磷原子组成；与平面的石墨烯不同，磷的化学键使这些薄板具有规则的脊和槽，例如波纹金属。 （当我们上次访问该材料时，它被用来制造快速充电的电池。）

选择黑磷是因为它的带隙很小，这意味着它不需要很大的电压差即可工作。不幸的是，这也意味着其打开和关闭状态之间的差异很小。硬件的设计使电流可以在两个方向上流动，这一事实使问题更加严重。当处于关闭状态时，电流有可能在低电平下向前或向后流动，这使得更难记录到“关闭”状态。由于缺乏电流。

为了解决这个问题，研究人员对晶体管进行了重新设计。在硅中，晶体管具有源电极和漏电极以允许电流流过该晶体管，而栅电极则可以开关此电流。对于带有黑磷的可逆版本，研究人员使用了两个门，它们增强了开/关信号。他们还添加了所谓的“极性门”。当门应该关闭时，它阻止了电流的流动。

有了这些，研究人员就看到了出色的性能：在低电压下工作，并且导通和关断状态之间存在明显的差异，随着电压的升高，差异会越来越大。

有了这些，研究人员就建立了实际的逻辑。这有一个设置门状态的单位密钥。当该位处于一种状态时，硬件将执行NAND（非与）功能。翻转该位，而是执行非或运算（NOR）。并且，基于本文中的图表，它完全可以正常工作。研究人员还表明，仅需对配置的一些细节进行调整，就可以创建一种可以在异或（XOR）和NOR之间切换的类似设备。

他们的关键是，可以在运行时动态设置位的状态。在不知道位状态的情况下，无法通过查看硬件来了解这些门正在执行的操作。即使您具有完整的硬件布局，也无法分辨这些门可能正在做什么。

这重要吗？也许不是，我们距离在生产硬件附近的任何地方实现这些新材料还有很长的路要走。但是看到它被考虑很令人兴奋，因为我们还没有看到很多这样的报告。正如作者认为的那样，该领域的研究通常集中于演示传统晶体管也可以实现的操作，而很少尝试尝试利用2D材料的独特属性（例如双极性）来提供新功能。 。＆＃34;