Что придет на смену кремниевой электронике?

Физик Алексей Орлов о проблеме тепловыделения, попытках найти альтернативы кремнию и клеточных автоматах на квантовых точках.

Каждый год Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» проводит «Рождественские лекции». 23 декабря в рамках проекта лекцию «Наноструктуры для квантовой электроники» прочтет Алексей Орлов. Нам профессор рассказал, как ученые пытаются решить проблемы кремниевой электроники.


Кремниевая цифровая электроника, нравится нам это или нет, полностью изменила наш мир, создав единое информационное пространство. Не будем, однако, забывать, что мы читаем этот текст благодаря кварцевому и речному песку. Именно благодаря песку, окиси кремния, SiO2, в огромном количестве присутствующему на земле, человечество смогло создать современные электронные приборы, устройства и информационные технологии. Кремний (Si), считавшийся еще в конце 40-х годов прошлого века капризным и бесполезным материалом, пригодным разве что для высекания искр, оказался тем двигателем, без которого современная земная цивилизация не могла бы существовать. Революционные изменения в области развития информационных и вычислительных систем, произошедшие в течение одного поколения человечества, произошли благодаря непрерывному уменьшению размеров главной «рабочей лошадки» твердотельной электроники — транзистора, который, в свою очередь, заменил собой механические релейные переключатели, использованные Конрадом Цузе в первом двоичном электромеханическом компьютере Z1 (1938), и электронные вакуумные лампы. Зададимся, однако, вопросом: а сколь долго еще может разыгрываться подобный сценарий постоянного уменьшения размеров транзисторов с одновременным увеличением производительности процессоров?

За счет уменьшения размеров транзисторов их число на чипе увеличилось с 105 (технология 1,5 микрона) в 1982 году до 108 (технология 90 нм) в 2003 году, и в настоящее время это число приближается к 1010. За тот же период времени, с 1982 по 2003 год, тактовые частоты микропроцессоров, определяющие число операций в секунду, стабильно возрастали — с 10 МГц в 1982 году до 4 ГГц в 2003 году. Однако с тех пор это значение не только не возросло, а в большинстве случаев уменьшилось. Отчего это происходит? Причина этого «торможения» состоит в фундаментальном принципе функционирования современных процессоров, когда двоичные значения битов кодируются в виде заряда электронов на конденсаторе (энергия бита при этом равна Е=CV2/2, где С — это емкость конденсатора, а V — напряжение на нем). Действительно, при любых манипуляциях с битами вычислительному устройству необходимо получать энергию, для того чтобы отличать значения битов от теплового шума. При этом во всех действующих ныне системах обработки информации при любом изменении состояния бита вся эта энергия «выбрасывается», превращаясь в тепло. Чем выше частота переключений (тактовая частота), тем чаще эта энергия выбрасывается, при этом размер чипа остается прежним, примерно 1 см2. Конечно, размеры конденсаторов и используемые напряжения тоже уменьшаются, но это не может скомпенсировать увеличения плотности рассеиваемой мощности. Этот крайне расточительный подход тем не менее оправдывал себя, до тех пор пока проблема теплоотвода не встала в полный рост.

Для иллюстрации: микропроцессор 8086, выпускавшийся по трехмикронной технологии в 1978 году, содержал 29 000 транзисторов, работал на частоте 4,77 МГц и не нуждался даже в радиаторе, рассеивая менее 1,5 ватт тепла. Процессор Pentium 4 Prescott, выпускавшийся в 2004 году по технологии 90 нм, работал на частоте 3 ГГц, содержал 125 миллионов транзисторов и выделял 100 ватт тепла. Это тот предел выделяемой мощности, которую еще можно удалить с чипа посредством воздушного охлаждения. Именно по этой причине лэптоп обжигает колени, десктоп согревает помещение, современный суперкомпьютер, потребляя около 5 мегаватт мощности (представьте себе 1000 четырехконфорочных электроплит, одновременно включенных на полную мощность), требует специально охлаждаемых помещений, а новый дата-центр Google строят в Норвегии, где оборудование (200 мегаватт потребляемой мощности!) будут охлаждать водой из фьорда.

Возрастание плотности мощности, рассеиваемой на чипе, с 1970 по 2012 год.

Приведу цитату из International Technology Roadmap for Semiconductors («Международная дорожная карта для полупроводниковых технологий»): “Power management is now the primary issue across most application segments due to the 2× increase in transistor count per generation while cost-effective heat removal from packaged chips remains almost flat (ITRS 2013)”. То есть управление распределением мощности является главной проблемой для большинства приложений, поскольку удвоение числа транзисторов происходит в условиях, когда эффективное удаление тепла от чипа остается практически на прежнем уровне. Иными словами, транзисторов на чипе уже слишком много, чтобы использовать их все одновременно; если попробовать это сделать, то чип расплавится, поскольку возможности теплоудаления с помощью воздушного охлаждения уже исчерпаны. Поэтому используют, например, режимы работы типа dark silicon, когда большая часть чипа «спит» (токи на этой части чипа не текут, и на этой части не выделяется тепло, оттого и dark).

В краткосрочной перспективе можно пытаться решить проблему с помощью более радикальных методов охлаждения. Например, охлаждая чип до температуры жидкого азота с помощью устройств, функционально напоминающих кондиционер в автомобиле. Важно понимать, что уменьшение размеров транзисторов до менее 10 нм или около 20 атомов кремния (о чем, например, подробно рассказывал один из лекторов «ПостНауки» — С. Зайцев-Зотов) лишь обостряет проблемы удаления тепла из-за проблем с утечками, вызываемыми прямым квантово-механическим туннелированием («пассивные утечки», см. ниже). Кстати, решение задачи уменьшения размеров транзисторов на каком-то этапе может оказаться невыгодным еще и экономически. Единичные транзисторы с такими размерами довольно нетрудно сделать уже сегодня с помощью электронной литографии. Вопрос в массовом производстве, требующем неимоверных затрат для каждого следующего шага, и если новый шаг не дает удешевления продукта в разумное время, то стоит хорошо подумать, а вкладываться ли. Кроме того, в какой-то момент может тривиально не хватить ресурсов.

Конечно, существующие технологии позволяют вести развитие, так сказать, в горизонтальном направлении, без уменьшения размеров приборов. Этот принцип используется в многоядерных процессорах, где происходит параллелизация работы процессоров за счет использования, по сути, нескольких чипов в одной микросхеме. В качестве другого успешного примера можно привести концепцию system on a chip, находящуюся в стадии производства и активного развития. Это когда вы изготовляете специализированные процессоры, заточенные на выполнение определенных задач. Но фундаментально это игры с архитектурой, а «кирпичики» (полевые кремниевые транзисторы) все те же.

Надо признать, что ситуация с поиском действительно фундаментально новых альтернатив довольно критическая, по всем параметрам мы близки к пределам физических возможностей существующих технологий.
Давайте теперь рассмотрим, в каких направлениях ведется поиск.

Во-первых, в рамках стандартной двоичной цифровой логики предпринимаются попытки улучшить параметры переключателей, в роли которых выступают современные кремниевые полевые транзисторы. Это делается прежде всего с целью максимального уменьшения пассивной рассеиваемой мощности, то есть мощности, выделяющейся за счет утечек, поскольку эта совершенно бесполезная часть потребляемой мощности (подобно текущему крану на кухне, который можно закрыть только частично) возрастает при уменьшении размеров приборов. Надежды здесь возлагаются на туннельные полевые транзисторы (TFETs), основанные на эффекте квантового механического туннелирования. В том же русле развивается направление исследований, в котором транзисторы пытаются заменить наноэлектромеханическими реле, в идеале не имеющими утечек (в каком-то смысле возвращаясь к идеям реле Конрада Цузе, но на наноразмерах).

Сегодня очень моден графен, но в полупроводниковом состоянии, необходимом для создания транзисторов, он существует только в виде наноленточек, совершенно непригодных к массовому производству, а это значит, что ни о каком соревновании с кремнием речи пока идти не может.

Во-вторых, большие надежды некоторое время возлагались на так называемую спинтронику, в которой в качестве бинарной переменной вместо заряда электрона используется их внутренний магнитный момент (спин). Однако пока что оказывается, что принципиально этот подход ничем не лучше кремниевой электроники, а в воплощении он несравнимо сложнее.

В-третьих, огромный интерес в течение последних 15 лет остается прикован ко всему, что связано с квантовыми компьютерами. Но здесь возникают две проблемы. Первая заключается в том, что сделать процессор с достаточным для практических целей числом «кубитов» пока невозможно, даже если иметь неограниченные ресурсы, и перспективы пока довольно неясны. Вторая проблема — это определение круга задач, которые они способны решать лучше существующих компьютеров. Кроме факторизации чисел и нескольких других специальных задач, для решения обычных задач их преимущества пока неочевидны. Разумеется, наибольшие ожидания от квантовых компьютеров находятся в области расчета квантовых систем. Кстати, здесь парадоксальным образом встает вопрос проверки результата, который нельзя получить никаким другим способом.

Однако существуют и другие подходы к созданию вычислительных систем будущего, причем некоторые принципы этих подходов можно реализовать уже сейчас. Зададимся, например, вопросом: является ли необходимым постоянное выбрасывание всей энергии битов в виде тепла и нельзя ли каким-либо способом этот выброс сократить?

Теоретически достижимые зависимости мощности рассеяния на чипе от тактовой частоты микропроцессора для обычной и реверсивной логики. Наибольшая экономия достигается для более медленных процессоров.
В самом деле, подобная схема работы процессоров не является единственно возможной. Существуют методы манипуляции с битами, при которых потери энергии минимальны. Это так называемая адиабатическая реверсивная логика (АРЛ), основанная на так называемом принципе Ландауэра, согласно которому превращение энергии бита в тепло абсолютно неизбежно только при стирании информации. Если же стирание заменить процессом рециркуляции, когда большая часть энергии бита возвращается в источник питания, большинства потерь можно избежать. В режиме АРЛ можно заставить работать чип так, чтобы тепло выделялось в количествах, на много порядков меньших, чем в обычной, нереверсивной, логике. Разумеется, ничто не дается даром, и разработка подобных архитектур потребует увеличения вспомогательных систем на чипе, занятых исключительно распределением энергетических ресурсов, однако уже в настоящее время можно перенаправить часть транзисторов для решения этих задач. Сердцем этих систем могут стать микроэлектромеханические резонаторы, которые будут играть роль местных дистрибуторов энергии, работающих как на раздачу энергии потребителям (транзисторным схемам), так и на получение энергии от этих устройств обратно. Эту энергию можно рециркулировать, то есть использовать повторно, подобно тому как рециркулируется, например, бумага в современных городах, тем самым увеличивая число операций, которое устройство может выполнять, — представьте, что ваш смартфон нужно будет заряжать раз в год или вычислительная мощность вашего лэптопа возрастет в десятки или сотни раз при том же энергетическом бюджете.

Два состояния клетки QCA и полный двоичный сумматор, собранный из таких клеток. Красными кружками обозначены квантовые точки, занятые электронами. Эти электроны могут туннелировать между белыми кружками — квантовыми точками. Благодаря кулоновскому расталкиванию электроны расположены в двух энергетически эквивалентных диагональных состояниях, кодирующих двоичные нуль и единицу.

Тем не менее, хотя использование АРЛ и является одним из решений, позволяющих использовать уже существующие технологии, фундаментально это все те же транзисторы, со всеми присущими им недостатками, выявляющимися в процессе уменьшения их размеров (например, АРЛ не имеет преимуществ для решения проблемы пассивных квантово-механических утечек).

Гораздо более радикальным представляется полный отказ от транзисторов. Рассмотрим один такой вариант, использующий концепцию так называемого QCA (quantum dot cellular automata = клеточный автомат на квантовых точках). Клеточный автомат — это вычислительная машина, состоящая из сетки однородных «клеток», подобных детским кубикам «Лего», из которых можно конструировать сложные устройства. Каждая клетка в каждый момент времени может находиться только в одном из двух состояний. Изменение состояния клетки во времени определяется ее предыдущим состоянием и состояниями ближайших соседей («окрестность» клетки). В 1993 году Крэг Лент (Craig Lent) и Вольфганг Пород (Wolfgang Porod) из Университета Нотр-Дам (США) предложили физическую реализацию такого автомата с использованием электростатически связанных квантовых точек. В QCA-архитектуре минимальная ячейка («клетка») состоит из четырех квантовых точек, расположенных в углах квадрата. В каждой клетке находится по два электрона на четыре точки. За счет кулоновского расталкивания они сидят в противоположных углах квадрата, и, соответственно, два «диагональных» расположения электронов соответствуют двум состоянием с одинаковой энергией — нулю и единице бинарного кода. Архитектуры QCA создаются на основе простых правил взаимодействия между клетками, размещенными на поверхности чипа, и сочетают в себе идеи клеточных автоматов и квантовой механики для создания наноустройств, способных выполнять вычисления с очень высокой скоростью переключения и потребляющих при этом крайне малое количество электроэнергии. Важно отметить, что на основе QCA не только можно создавать процессоры с обычной детерминистической двоичной логикой, но эта архитектура также является идеальным кандидатом и для квантовых компьютеров.

Одноэлектронный транзистор с металлическими электродами и оксидными туннельными переходами с площадью около 4000 кв. нм.

В качестве считывающих устройств для QCA могут использоваться так называемые одноэлектронные транзисторы — наноэлектронные приборы, позволяющие отследить переключение одного электрона в клетке. Экспериментально такое устройство было впервые продемонстрировано в 1997 году с использованием металлических «квантовых точек» при низких (~100 мК) температурах. При этом роль «батарейки» для таких процессоров будут играть многофазные тактовые генераторы, расположенные на чипе и построенные на основе резонаторов, способных отдавать и поглощать энергию. Отметим, что в 1996 году одноэлектронная логическая схема с тактовым генератором, нашедшая применение в QCA («одноэлектронный параметрон»), была предложена К. Лихаревым и А. Коротковым. Одной из нерешенных проблем остается та, что характерный масштаб энергий барьеров, отделяющих двоичные 0 и 1 в электронных QCA, зависит от параметра, определяемого электрической емкостью системы, C: E=e2/C. Поэтому, чтобы такое QCA-устройство работало при комнатной температуре, размер клетки должен быть меньше 5 нанометров. Тем не менее функционирование подобной (единичной) клетки при комнатной температуре было впервые продемонстрировано в 2009 году группой Роберта Уолкоу, но до сколько-нибудь массового производства еще весьма далеко.

Более того, используя концепцию QCA, удается создавать не только наноэлектронные, но и наномагнитные процессоры, в которых роль «кубиков “Лего”» играют наномагниты с размерами менее 100 нанометров, имеющие два выделенных направления магнетизации. В 2006 году нами впервые были экспериментально продемонстрированы логические узлы таких устройств, выполненные из пермаллоя, совмещающие в себе функции и памяти, и логических устройств.
В дальнейшем подобные клеточные автоматы, которые практически не будут рассеивать энергию (за счет исключительно маленьких мощностей переключения, а также за счет использования адиабатических реверсивных схем их функционирования), могут быть собраны из специализированных молекул, содержащих внутри себя элементы однобитовой клетки. Такие устройства смогут иметь колоссальную (до 1012 см2) плотность элементов на одном чипе.

Молекулярный комплекс, образующий QCA-клетку.

Надо иметь в виду, что, хотя химические компоненты для создания такого рода молекул доступны, а сами молекулы могут быть созданы и поведение их тщательно промоделировано, собрать из них что-то полезное контролируемым способом пока не умеет никто. Необходимы новые способы управления процессами сборки функциональных устройств из молекул.

Так что это вопрос будущего, а сегодня к вам приходит химик и говорит: «Смотрите, эта голубая жидкость содержит те самые молекулы, из которых можно сделать QCA». При этом немаловажный вопрос состоит в том, как от голубой жидкости перейти к процессору, использующему молекулы из этой жидкости в качестве функциональных блоков, и этот вопрос пока остается открытым. Мы работаем в этом направлении, например создаем схемы для детектирования состояния молекул с помощью одноэлектронных транзисторов.
Кремний, конечно, никуда не денется. Этот второй по распространенности после кислорода элемент на Земле стал неотъемлемой частью земной цивилизации.

Напоследок наблюдение: всего лишь 40 лет назад кремниевые устройства не были повседневными элементами жизни. Оставим в стороне очевидные примеры того, чего просто не существовало тогда: интернет, мобильную связь, дроны, цифровые камеры, флеш-накопители и тому подобное. Тем не менее автомобиль «Победа» прекрасно ездил и так. Сегодня, по сути, ни одно сколько-нибудь сложное устройство (от холодильника до самолета) неспособно функционировать без кремниевых микропроцессоров.

Источник: http://postnauka.ru/faq/56852