Чипы-гибриды парадоксально уплотняют схемы без уплотнения
По окончании того как микросхемы в собственном рвении стать всё меньше упрутся в ограничения физического характера, их развитие, само собой разумеется, не зайдёт в тупик. Но вот в отношении наилучшего продолжения их эволюции единого мнения у экспертов нет. Теоретики спорят.
А кое-какие учёные тем временем создают экспериментальные устройства, в которых воплощены свежие идеи.
Кремниевые микросхемы ужимать не так долго осталось ждать будет очень некуда. Тут индустрия испытывает технологические трудности, каковые героически решает, но на горизонте маячат преграды, возводимые самой природой, — на работу полупроводниковых масштаба и устройств оказывают дестабилизирующее влияние «чудеса» квантовой физики. Значит, пора думать о компьютерах принципиально нового устройства?
Да. Но прекрасно бы, чтобы наряду с этим для выпуска таких фантастических автомобилей не было нужно и промышленность создавать «принципиально новую».
В это же время последовательность специалистов считают, что вовсе не обязательно уповать на совсем уж экзотические варианты компьютеров. И классические разработки, дескать, ещё как повоюют. Лишь необходимо скорректировать их, добавить в ставшие хорошими правила построения чипов пару-тройку новых измерений.
Спинтронные устройства (примеры 1 и 2), компьютеры, трудящиеся с фотонами вместо электронов (1, 2), квантовые процессоры (1, 2)… Чего лишь не придумают люди вместо очевидных кремниевых «пластинок».
Всё это находится в стадии сырых прототипов и исследований, достаточно далёких от использования на практике, тем более – от массового тиражирования (иллюстрации J. Fal/JILA, Berkeley Lab, University of Sydney, Michael Kemper).
Одним из перспективных направлений считается замена кремния на другие полупроводники. К примеру, на нитрид галлия (GaN): он владеет рядом особенностей, разрешающих создавать из него более расторопные элементы схемы, трудящиеся на намного больших частотах переключения, чем кремний.
Первый в мире транзистор из нитрида галлия был создан в мае 2008 года в политехническом университете Ренсселера (Rensselaer Polytechnic Institute). Но путь до полноценных микросхем из этого материала был тернист.
С тем же GaN, равно как с рядом вторых заманчивых материалов, тяжелее трудиться, в то время, когда нужно наладить тесную интеграцию таких элементов на схеме. А ведь как заманчиво перейти на новую начинку. Ещё в 2005-м, например, физики воспользовались фосфидом индия и арсенидом галлия-индия и создали транзистор, трудящийся на тактовой частоте 604 гигагерца.
Но возвратимся к GaN. Вот так как незадача – и к масштабированию разработка создания галлий-нитридных транзисторов также приспособлена не хорошо. Кремниевые процессоры уже перешагнули планку в 2 миллиарда транзисторов на единой схеме, но при попытке выстроить что-то похожее из GaN начинаются неприятности.
Сейчас доктор наук Томас Паласиос (Tomas Palacios) и аспирант Уилл Чун (Will Chung) из Массачусетского технологического университета (MIT) нашли красивый выход из положения.
«Исследователи смогут сделать один, десять либо кроме того пара сотен экзотических транзисторов, каковые будут вправду весьма стремительны, — говорит Томас, — но очень тяжело делать их много». А тогда для чего биться лбом об стенке и пробовать выстроить целую микросхему из GaN? Может, для должного результата достаточно обойтись лишь небольшой её частью?
И действительно, в современном процессоре не все элементы должны обязательно трудиться на высоких скоростях. По словам Паласиоса, только от 5 до 10% транзисторов в схеме играются важную роль в перемалывании чисел, и вот эти 10% нужно делать максимально стремительными. Остальные смогут трудиться медленнее без ухудшения неспециализированного результата. Из этого напрашивается выход: построение гибридной схемы из нитрида галлия и кремния.
Первый таковой процессор и создали Томас, Уилл и их коллеги.
В технологии построения гибридных схем нет ничего принципиально нового, для чего было нужно бы радикально переделывать отлаженные процессы на фирмах электронной индустрии. В этом одно из основных преимуществ новых чипов (фото Patrick Gillooly).
Увидим, это не два организованных по отдельности чипа, соединённые в некой сборке, — это единая пластина, на которой авторы сумели создать как транзисторы из классического материала, так и из GaN. Этого удалось добиться, добавив узкий слой нитрида галлия на поверхность простой кремниевой базы, использующейся в микроэлектронной индустрии.
Классические кремниевые транзисторы в новой схеме были типа MOSFET (металл-оксид-полупроводник), а стремительные транзисторы — так именуемого типа HEMT (High Electron Mobility Transistor), другими словами с высокой мобильностью электронов. Ранее транзисторы HEMT делали из арсенида галлия и арсенида алюминия галлия, но исследователи в различных университетах всё больше склоняются к мысли, что именно нитрид галлия в этом случае обещает громадные перемены.
Итак, потому, что львиная часть транзисторов в новой схеме — в полной мере простая, и трудится на относительно низкой скорости, чип не прожорлив, а коль сердцевина схемы — стремительные галлиевые транзисторы, и неспециализированная эффективность её высока.
Действительно, с нынешним оборудованием в лаборатории Паласиос и его сотрудники смогут строить такие смешанные чипы только с площадью около одного квадратного дюйма (2,5 х 2,5 см), тогда как в серийном производстве микросхем применяют громадные пластины-заготовки диаметром 8 либо 12 дюймов (20,3 и 30,5 см). сотни и Десятки процессоров на них формируются сообща, а позже уже эти заготовки разрезают на отдельные маленькие пластинки, каковые снабжают контактами-ножками и встраивают в личные корпуса.
GaN-схемам ещё предстоит пройти путь до для того чтобы массового производства. Но у авторов гибридного чипа уже имеется идеи, как добиться повышения площади пластин без ущерба для качества продукта. Учёные из Массачусетского технологического сотрудничают с рядом компаний, совместно изучая возможность коммерциализации разработки.
Пускай на это уйдёт пара лет, но возможности раскрываются увлекательные.
Чипы с галлий-нитридными вставками возможно изготавливать на существующих фирмах. Такие схемы обещают стать не только более стремительными, чем нынешние. Новый принцип обработки разрешит проектировать чипы смешанного типа, сочетающего на одной пластине маленькие электронные и оптические (лазеры) компоненты.
Кроме этого возможно будет строить цифровые радиочастотные схемы на одном чипе, что упростит, например, мобильные телефоны, каковые сейчас содержат четыре либо пять раздельных микросхем различного типа (и созданные из различных материалов).
Ну а вдруг и с этими усовершенствованиями электронным схемам сложно будет направляться известному закону Мура, а, например, трёхмерные чипы, с которыми кое-какие связывают громадные надежды, окажутся не хватает технологичными, у исследователей найдётся ещё один туз в рукаве. Это мемристор (memristor) — «потерянное звено» в теории электроники.
Отметим, что данный базисный элемент логической схемы является сопротивлениемс памятью, меняющее собственное состояние в зависимости от прошедшего по нему ранее тока. В первый раз мемристор был создан в лабораториях Hewlett-Packard (HP Labs) в начале прошлого года, а в феврале года нынешнего американская компания выстроила первый гибридный чип, содержащий мемристоры и транзисторы.
Мемристоры — весьма привлекательное направление в электронике. И вот из-за чего. Из этих элементов возможно строить действенную, энергонезависимую (не потребляющую ток в ходе хранения) логические блоки и память, талантливые во многих случаях заменять транзисторы.
Мемристоры на протяжении работы требуют маленьких токов, соответственно, мало греются. Их возможно упаковывать намного плотнее.
Так создаётся заданный рисунок из мемристоров. Один элемент – это одно пересечение двух узких проводников, между которыми нанесена прослойка из особого материала (фото J. J. Yang/HP Labs).
Сто мемристоров (из которых смонтирован некоторый комплект «логики») эквивалентны приблизительно 700-1200 транзисторам. Так утверждает Стэнли Уильямс (Stanley Williams), в группе которого и было создано «потерянное звено». Польза налицо.
И нужно ли растолковывать, как принципиально важно обучиться интегрировать «поля» из мемристоров в микросхемы классической конструкции?
Умелая схема, продемонстрированная в начале года, содержала 882 мемристора. Наряду с этим они размешались в паре отдельных районов схемы (как будто бы некие города), а транзисторы пребывали на периферии (как пригородные посёлки). Соединяли их долгие проводящие дорожки-лучи.
В плане будущего уплотнения чипов такая архитектура была не через чур удачной, но так как HP Labs принципиально важно было продемонстрировать работоспособность идеи.
Сейчас исследовательское подразделение известной компании сделало ещё один ход вперёд: его команда и Уильямс сумели нанести при помощи нанолитографии слой из 10 тысяч мемристоров поверх хорошей кремниевой CMOS-микросхемы.
Самым большим препятствием здесь появлялась неровная поверхность чипа. Кроме того выступы в одну десятитысячную миллиметра были чрезмерно громадными для целей учёных. Потому в HP Labs задействовали пара видов физической и химической полировки.
После этого на плоскость кремниевой схемы нанесли решётку из наноразмерных (в поперечнике) проводников (100 х 100 штук). В каждой точке пересечения к электрическому соединению был добавлен двойной «бутерброд» из диоксида титана, особенным образом обработанного. Так и оказались мемристоры.
Комплект дополнительных бронзовых проводников соединил взятую решётку с изначальной кремниевой пластинкой внизу.
Схема нового чипа с добавочным слоем мемристоров. Подробности данной работы возможно отыскать в статье в Nano Letters (иллюстрация Qiangfei Xia et al.).
«Новая гибридная совокупность поднимает сети маршрутизации сигналов и коммутаторы над плоскостью CMOS-чипа, — говорит Уильямс. — Это высвобождает пространство на главном слое CMOS для большего количества элементов, действенно увеличивает плотность схемы без необходимости уменьшать транзисторы дальше».
Комбинация транзисторов и мемристоров разрешает создавать и программируемые логические матрицы (field-programmable gate array) — перестраиваемые на ходу чипы для опытов в области электроники, каковые исключают необходимость в постройке множества умелых схем с разной архитектурой.
А дальше возможно на данной базе выстроить и вовсе что-то необычное: схемы, трудящиеся с состояниями единичных ячеек памяти между 0 и 1. Нет, в этом случае обращение не о квантовых компьютерах и не о суперпозициях квантовых состояний. Всё несложнее.
Сами мемристоры и проходящие через них токи возможно настроить так, что в данных элементах смогут храниться не только нули и двоичные единицы, но и фиксированные значения наподобие 0,2, 0,5 либо 0,9, — растолковывает в пресс-релизе HP Labs Цзяньхуа Ян (Jianhua Yang), один из участников проекта. Это делает работу смешанного устройства похожей на принцип коммуникации нервных клеток, что открывает дорогу новым чипам для «нейроморфных вычислений» (это определение Уильямса).
До тех пор пока умелые схемы, выстроенные группой Стэнли, не через чур стремительны. Но коль не так долго осталось ждать учёные взяли возможность изучить работу таких элементов в настоящем устройстве, за повышением производительности и оптимизацией конструкции дело не станет. В общем, мемристоры до тех пор пока ещё лишь пробуют собственные силы, но в один раз займут законное место в серийных чипах, вместе с транзисторами, диодами, сопротивлениями и конденсаторами.
Опыты в области электроники идут сходу по такому множеству направлений, что заблаговременно чуть ли кто-то сможет угадать, во что всё это выльется. Не отправятся не известно почему компьютеры с нитридом галлия — в бой будут кинуты другие новации, наподобие умного аппаратного распараллеливания исполняемых программ в центрального процессора либо ЦП с 80 ядрами. А в том месте, смотришь, и серийные квантовые схемы с фотонными чипами да спинтроникой подтянутся.
