Лекция 4 Направления развития элементной базы вычислительной техники. Наноэлектроника

Любой современный кристалл процессора состоит из огромного количества транзисторов, исчисляемого миллионами и миллиардами, необходимого для достижения высокой производительности процессора. Уменьшение размеров транзистора ведёт к уменьшению напряжения питания, что в свою очередь снижает энергопотребление, к увеличению скорости работы и плотности размещения транзисторов на кристалле. Поэтому со времени создания первой интегральной микросхемы в 1959 году развитие микроэлектроники идёт по направлению уменьшения размеров транзисторов и одновременного увеличения плотности их размещения на кристалле. Для оценки этих параметров была введена специальная характеристика «Норма технологического процесса производства полупроводниковых кристаллов», измеряемая в нанометрах (нм). В недалёком прошлом (конец 90-х годов) кристаллы процессоров изготавливались по 130 нм нормам, с 2002 г. – по 90 нм, с 2006 – по 65 нм, с 2007 г. используются норма 45 нм, с 2009 г. – 32 нм, а с 2011 – 22 нм.

Спроектированный в Intel по 45-нм нормам транзистор примерно на 20% опережает своего 65-нм собрата по скоростным характеристикам и оказывается примерно на 30 % экономичнее с точки зрения затрат энергии на переключение.

22-нм процессоры Intel используют транзисторы с вертикально (рис. 4.1) расположенным затвором FinFET (Fin Field Effect Transistor, также известные как 3D-транзисторы и «транзисторы с трёхмерной структурой затвора»). Согласно оценкам компании производительность 22-нм Tri-Gate транзисторов на 37 % выше производительности планарных 32-нм структур. При этом энергопотребление у новинок до 50 % меньше.

б

I

a

Рис. 4.1. Структура транзистора: а – 32 нм традиционный планарный транзистор;

б – 22 нм транзистор с трёхмерной структурой затвора

Обновленная версия транзистора отличается использованием затвора в виде тонкой трехмерной кремниевой пластины, установленной перпендикулярно кремниевому субстрату. Прохождение тока в этом случае контролируется тремя затворами, расположенными на гранях пластины. Такое усовершенствование при минимальных геометрических размерах транзисторов обеспечивает максимальную величину тока во включенном состоянии и приближенную к нулю – в выключенном. В результате не только ускоряется переключение, но и уменьшаются паразитные утечки, снижается напряжение питания и, как следствие, энергопотребление и нагрев чипа. Кроме того появляется возможность увеличить (рис. 4.2) плотность компоновки транзисторов, что позволяет нарастить их число для создания более сложных интегральных схем, при этом не увеличивая площадь самого кристалла. Примечательно, что при успешном внедрении 3D-транзисторов, стоимость производства чипов увеличивается всего на 2–3 %, при этом получаемый эффект несоизмерим с такими затратами.

Рис. 4.2. Вид транзисторов под микроскопом

Близок рубеж, за которым кремниевая технология не сможет обеспечить прогресс в быстродействии обработки и плотности хранения информации. Действительно, размер атома имеет порядок десятых долей нм, а принципы работы кремниевых транзисторов рассчитаны на структуры, как минимум, в несколько атомных слоев. Поэтому сегодняшние проектные нормы в 22 нм близки к этому рубежу.

Среди традиционных подходов можно назвать создание китайским ученым Вэйсяо Хуан (Weixiao Huang) первого в мире транзистора на основе нитрида галлия GaN. По своим характеристикам транзистор значительно превосходит используемые сегодня кремниевые аналоги и может работать в самых экстремальных условиях. Разработанная Хуаном технология позволяет интегрировать на один чип несколько функций, что невозможно осуществить, используя кремний. Поэтому переход с кремниевых транзисторов на GaN-транзисторы мог бы позволить значительно упростить электронные схемы. Кроме того, замена кремниевых транзисторов на аналогичные, но выполненные на основе нитрида галлия, позволит существенно уменьшить энергопотребление.

Особо интенсивный поиск «наследника кремния» ведётся среди наноструктур на основе углерода: фуллерены, углеродные нанотрубки, наноспирали, нанопровода, графеновые пленки и прочие.

Графен – это пленка углерода толщиной в один атом, имеющая строго упорядоченную гексагональную кристаллическую структуру (рис. 4.3). Графен можно считать развернутой в плоскость одностенной нанотрубкой, или двумерным фуллереном, или же отдельно взятым атомарным слоем из множества таких слоев, составляющих кристалл графита.

Графен обладает уникальными электрическими, оптическими, механическими и тепловыми свойствами, отличается высокой тепло- и электропроводностью. Подвижность электронов в графене в 10–20 раз выше, чем в арсениде галлия, что позволяет рассчитывать на получение приборов, работающих на частотах вплоть до 100 ГГц и выше. Графен, в отличие от нанотрубок, приспособлен для применения в обычной планарной технологии.

Рис. 4.3. Гексагональная кристаллическая структура графена

Различные элементы и межсоединения БИС могут быть получены в одном графеновом слое. В графеновом транзисторе используется металлический затвор и изолирующий слой, состоящий из полимера и оксида с высокой диэлектрической проницаемостью.

Электроны в графене перемещаются гораздо быстрее, чем в кремнии и благодаря этому можно свести токи утечки к минимуму, которые и ограничивают уменьшение энергозатрат процессорами.

Фуллерен – молекула, состоящая из атомов углерода, расположенных в вершинах правильных шести- и пятиугольников (рис. 4.4), образующих каркасную форму в виде замкнутой полой сферической или эллипсоидной оболочки. Молекулы фуллеренов могут содержать 28, 32, 50, 60, 70, 76 и т.д. атомов углерода. Самый известный из фуллеренов – это так называемый фуллерен C₆₀. Этот фуллерен, обладает максимальной стабильностью. Атомы углерода в нем располагаются на сферической поверхности в вершинах 20 правильных шестиугольников и 12 правильных пятиугольников; каждый шестиугольник имеет три общие стороны с другими шестиугольниками и три общие стороны с пятиугольниками, то есть все пятиугольники граничат только с шестиугольниками.

Рис. 4.4. Сферическая структура фуллерена С₆₀

Именно с фуллерена С₆₀, открытого в 1985 году, началась целая эпоха развития этих удивительных по своим свойствам каркасных структур. Фуллерены были названы по имени американского архитектора Бакминстера Фуллера (Buckminster Fuller), который при конструировании куполов зданий применял структуры, подобные фуллеренам.

В конце 80-х – начале 90-х годов фуллерены научились получать в макроскопических количествах, а в 1991 году неожиданно были открыты новые фуллерены, напоминающие длинные цилиндрические каркасные формы – они называются нанотрубки.

Углеродная нанотрубка – цилиндрическая молекула, состоящая из атомов углерода, имеющая форму цилиндра диаметром около 1 нм и длину от одного до сотен мкм (рис. 4.5), внешне выглядит как свернутая в цилиндр графитовая плоскость. Цилиндр оканчивается молекулой фуллерена.Впервые обнаружена Сумио Ииджимой (корпорация NEC) в 1991 г. как побочный продукт синтеза фуллерена С₆₀.

Нанотрубки бывают однослойными и многослойными. Последние представляют собой несколько однослойных нанотрубок, вложенных одна в другую. Основная классификация нанотрубок проводится по способу сворачивания графитовой плоскости. Различают прямые (ахиральные) нанотрубки и спиральные (хиральные) нанотрубки.

Нанотрубки обладают уникальными электрическими, магнитными и оптическими свойствами. Они могут быть как проводниками, так и полупроводниками. Нанотрубки на порядок прочнее стали. Получают нанотрубки путем термического распыления графитовых электродов в плазме дугового разряда. В результате такой обработки получается достаточно легкий и пористый материал, состоящий из многослойных нанотрубок со средним диаметром 20 нм и длиной около 10 мкм. Изготовление нанотрубок обходится дорого — один грамм стоит несколько сотен долларов США.

Рис. 4.5. Углеродная нанотрубка

На основе нанотрубок создаются новые сверхпрочные и сверхлегкие композиционные материалы. Нанотрубки используются в качестве иглы для сканирующего туннельного и атомного силового микроскопа, а также для создания полупроводниковых гетероструктур. Разрабатываются технологии применения нанотрубок в биомедицине и криминалистике.

Нанотрубки находят все большее применение в микроэлектронике, они используются для создания диодов и полевых транзисторов.

Например, изогнутая нанотрубка по свойствам проводимости адекватна диоду. Дело в том, что для изгиба нанотрубки в нее нужно внедрить дефектный элемент (например, заменить один из шестиугольников на пятиугольник). В результате степень скрученности нанотрубки с разных относительно изгиба сторон оказывается различной, что приводит к разному типу проводимости. С одной стороны относительно изгиба может быть металлическая проводимость, а с другой – полупроводниковая. В этом случае такая нанотрубка с изломом будет представлять собой структуру типа «металл – полупроводник» с односторонней (как и у диода) проводимостью.

В полевых транзисторах роль канала выполняет нанотрубка. В обычном состоянии концентрация свободных носителей зарядов (дырок и электронов) в нанотрубке мала, то есть она является диэлектриком. Зона проводимости в данном случае отделена от валентной зоны запрещенной зоной шириной в несколько электрон-вольт. Однако при помещении нанотрубки в электрическое поле ширина запрещенной зоны меняется и концентрация свободных носителей зарядов увеличивается. В этих условиях нанокарбоновая трубка становится проводником. Электрическое поле, управляющее проводимостью нанокарбоновой трубки, создается затвором, которым, как уже отмечалось, является кремниевая подложка. При потенциале затвора порядка 6 В концентрация свободных носителей заряда в валентной зоне достигает максимума, и нанотрубка становится хорошим проводником. Таким образом, меняя напряжение на затворе, можно управлять проводимостью нанотрубки и соответственно открывать или запирать транзистор.

Созданы и опробованы прототипы тонких плоских дисплеев, работающих на матрице из нанотрубок.

Другое применение нанотрубок – это создание энергонезависимой оперативной памятиNRAM (NonvolatileRandom Access Memory).

В NRAM на кремниевую подложку наносится тонкая изолирующая пленка оксида кремния, вдоль которой размещены токопроводящие электроды шириной в 130 нм, отделенные друг от друга изолирующими слоями. Над электродами перпендикулярно к ним расположены массивы нанотрубок, которые замыкаются с обеих сторон на проводящие контакты. В обычном состоянии (состояние OFF) нанотрубки не касаются электродов и находятся над ними на высоте порядка 13 нм. Если к нижнему электроду приложить напряжение, то нанотрубка под воздействием электрического поля начнет выгибаться и коснется нижнего электрода. Однако такое состояние (состояние ON) оказывается устойчивым за счет баланса между возникающим механическим напряжением и Ван-дер-Ваальсовыми силами. В результате даже после исчезновения напряжения форма нанотрубки не изменится. Таким образом, меняя напряжение на электроде, можно переходить между двумя стабильными механическими состояниями нанотрубок, в одном из которых имеется контакт с электродом, а в другом – нет. Одно из этих состояний будет отвечать логическому нулю, а другое – логической единице.

Для того чтобы прочитать содержимое элементарной ячейки памяти, между нижним электродом и контактом, к которому подсоединены нанотрубки, отвечающие выбранной ячейке памяти, подается напряжение. Если ячейка памяти находится в состоянии OFF, при котором нет физического контакта между электродом и нанотрубкой, то электрическая цепь оказывается разомкнутой и напряжение будет высоким, что соответствует логической единице. Если же ячейка памяти находится в состоянии ON, то есть имеется контакт между нанотрубкой и нижним электродом, то цепь замыкается и напряжение будет низким, что соответствует логическому нулю.

В сравнении с традиционными типами памяти, память NRAM имеет ряд преимуществ. Во-первых, несмотря на то, что это RAM-память, она является энергонезависимой. Во-вторых, по утверждениям компании Nantero, плотность записи информации в устройствах NRAM может достигать 5 млрд. битна квадратный сантиметр (в несколько раз больше, чем в сегодняшних микросхемах памяти), а частота работы памяти – до 2 ГГц.

Другим направлением замены кремниевой технологии является использование оптических и квантовых технологий.

Одними из перспективных являются оптические технологии. Наряду с множеством преимуществ, благодаря тому, что в качестве носителей информации используются фотоны, а не электроны, информация, которая закодирована оптическим лучом, может передаваться с микроскопическими затратами энергии.

Оптические технологии в вычислительной технике пока ещё применяются, в основном, в двух сферах – в сетевой, где для создания магистральных каналов используются волоконно-оптические линии связи, а также в соединительных узлах суперкомпьютеров, где необходима сверхбыстрая передача очень больших объёмов данных.

Ещё в 2003 году компания Lenslet (Израиль) создала первый в мире оптический процессор. Процессор называется EnLight256, его производительность составляет 8 тераоп (триллионов арифметических операций в секунду). Высокая производительность достигнута за счёт манипуляции потоков света, а не электронов. Оптические технологии пока ещё ориентированы на промышленное производство, военную технику – там, где нужно в реальном времени обрабатывать большие потоки информации, где промедление в несколько сотых секунд может закончиться непоправимыми последствиями.

Преимущества оптической технологии:

• возможность использовать совершенно разные среды передачи, хранения и обработки информации;

• возможность обработки информации во время ее передачи через оптическую систему, которая реализует вычислительную среду;

• возможность передавать информацию, которая закодирована оптическим лучом, практически без потерь энергии;

• отсутствие вероятности перехвата информации (по оптической технологии в окружающую среду ничто не излучается).

Единственный существующий сейчас коммерческий оптический процессор EnLight 256 уже можно купить. Этот процессор является первым оптическим DSP (Digital Signal Processor), который в три раза превосходит лучшие электронные DSP. Если говорить точнее, EnLight256 - это гибридный оптический процессор, содержащий преобразователи. Создать полностью оптический компьютер пока слишком дорого. Простая замена ядра с сохранением всех остальных электронных компонент позволяет получить огромный прирост производительности.

Ядро этого процессора – оптическое, а входная и выходная информация представляется в электронном виде. Ядро состоит из 256-ти VCSEL-лазеров, пространственного модулятора света, набора линз и приемников.

Организация технологии Lenslet позволяет использовать лучшее из оптического и электрического миров. Оптическая матрица VMM (Vector-Matrix Multiplication), ядро процессора, конвертирует электрическую информацию в свет, затем производит необходимые преобразования этой информации, направляя свет через программируемую внутреннюю оптику. Свет, который появляется на выходе, ощущается множеством датчиков и преобразуется снова в электрический сигнал.

Появился прогресс и в создании гибридных оптических чипов. Исследователи компании Intel представили кремниевый чип, преобразовывающий электрические сигналы в оптические с рекордной скоростью 200 Гбит/секунду. Технический директор Intel Джастин Раттнер недавно сообщил, что, по его прогнозам, первые оптические чипы от Intel появятся на рынке уже через 2 года. При этом, в планах компании – использовать оптику не только в серверах и вычислительных центрах, но и на компьютерах обычных пользователей.

В 2012 году компания IBM намерена производить оптические процессоры, которые будут умещаться в ноутбуках, но по производительности будут сравнимы с современными.

Сегодня физики разных стран разрабатывают квантовые вычислительные системы, которые по своей вычислительной мощности в миллионы раз превзойдут современные компьютеры. Энергозатраты у квантовых компьютеров на единицу обработанной информации ожидаются быть мизерными.

Работы по созданию квантовых компьютеров ведутся уже относительно давно. Принципиальным отличием квантовых компьютеров от современных является использование так называемых квантовых битов (кубитов) вместо двоичной системы представления информации в виде 0 и 1. Кубиты, в отличие от битов - единичных ячеек информации в современных компьютерах - могут не только находиться в одно и то же время в двух различных состояниях (0 и 1), но и испытывать состояние так называемого квантового запутывания (суперпозиции) – находиться одновременно в состоянии «0» и «1».

Леонардо Ди Карло (Leonardo DiCarlo) и его команда из Йельского университета в Нью-Хейвене впервые сумели применить твердотельные элементы для создания простейшего квантового процессора, состоящего всего из двух кубитов. В качестве кубитов Ди Карло использовал две тонкие пластинки ниобия, помещенные на поверхность оксида алюминия и разделенные небольшой канавкой. Пластинки ниобия охлаждались до температуры, всего на долю градуса отличающейся от абсолютного нуля, при которой переходили в сверхпроводящие состояние. Для контроля состояния кубитов и перевода их в состояние "квантового запутывания" ученые использовали микроволновое излучение, которое заполняло пространство между пластинками.

В 2007 году компания D-Wave впервые продемонстрировала 16-кубитовый квантовый процессор Orion. Его чип выполнен из ниобия, который охлаждается в жидком гелии до температуры близкой к абсолютному нулю. Поэтому компьютер и называют адиабатическим, так как при таком охлаждении возникают условия, когда система не получает и не отдает тепло. При этом 16 металлических дорожек из ниобия, расположенные на кремниевой подложке и разделенные изолятором, начинают пропускать электрический ток по часовой стрелке, против неё или в обоих направлениях. Таким образом, выполняется главное условие квантовых вычислений — суперпозиция двух состояний в квантовом бите информации (кубите). Вся информация хранится в виде направлений течения тока по металлическим петлям и переходам. Позже, в 2008 году, компания представила 28-кубитовый квантовый процессор Leda с усовершенствованной технологией связи между кубитами. Квантовое вычислительное устройство размером L кубит может выполнять параллельно 2^L операций: если квантовый процессор Orion мог выполнять параллельно 2¹⁶=65 536 операций, то процессор Leda – уже 2²⁸=268 435 456. Останавливаться на достигнутом в D-Wave не собираются – на очереди квантовые компьютеры с 512 и 1024 кубитами. Это открывает фантастические возможности для вычислений.

Пока варианты использования квантовых компьютеров D-Wave ограничены возможностями вычислительных алгоритмов, для развития которых и предназначен проект AQUA@home. Но уже сейчас Orion с успехом справляется со сложнейшей задачей распознавания образов на фотографиях, играючи решает японскую головоломку Судоку, по заданным параметрам производит поиск молекул в химической базе данных. Наилучшим образом проявить себя квантовые компьютеры смогут в решении задач с большим числом переменных, требующих распараллеливания вычислений на множество потоков. Это задачи теории управления, оптимизации процессов, моделирования работы сложных физических, химических и биологических систем.