Проблемы развития наноэлектроники или будет ли действовать и

Проблемы развития наноэлектроники или будет ли действовать и дальше
закон Мура
Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.
Чабан Владимир Александрович
Ткаченко Ирина Михайловна, к.т.н., доцент
Problems of development of nanoelectronics or will to act to continue Moore's
law
Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Chaban Vladimir
Tkachenko Irina, candidate of technical Sciences, associate Professor
This article describes the issues of electronics: the problem of Moore's Law, the
problem of reducing efficiency of processors. The author offers several ways to solve
problems. To do this, he turns to the nanoelectronics, and a plasma and
thermonuclear technologies. These technologies are already being implemented in
production.
В наши дни электронная промышленность быстро развивается. Резкий скачек
развитию электроники дало изобретение в 1954 году первого кремниевого
транзистора компанией Texas Instruments. Кремний, вытеснив германий, дал
возможность создания монолитных интегральных схем. Дальнейшим стало
изобретение микросхем, и в 1971 году компанией Intel был создан первый в
мире 4-разрядный микропроцессор 4004, предназначенный для использования в
микрокалькуляторах. Дальнейшее развитее микроэлектроники представляло
собой в общем виде увеличение числа транзисторов на монокристалле и
улучшение их качественных характеристик.
Но еще до изобретения процессора, а именно в 1965 году, некий Гордон Мур
(один из основателей Intel) определил так называемый закон Мура, согласно
которому появление новых моделей микросхем наблюдалось спустя примерно
год после предшественников, при этом количество транзисторов в них
возрастало каждый раз приблизительно вдвое. Затем в 1975 году Гордон Мур
внёс в свой закон коррективы, согласно которым удвоение числа транзисторов
будет происходить каждые два года. Собственно говоря, это высказывание не
совсем правильно именовать законом, так как оно не основано на каких-либо
физических закономерностях, ко всему прочему еще и содержит человеческий
фактор, это скорее статистический вывод, основанный на статистике роста
числа транзисторов на кристалле [1].
Хотя этот закон и продолжает соответствовать статистике по сей день. В 2007
году Мур заявил, что закон, очевидно, скоро перестанет действовать из-за
атомарной природы вещества и ограничения скорости света. В этом стоит
немного разобраться. Отбросив все проблемы с технологиями, нехватку
средств, и прочие «подводные камни» в микроэлектронике, перейдем к самой
сути. Предположим, что в ближайшем будущем транзисторы будут
уменьшаться каждые два года в соответствии с выводом Гордона Мура. В
конечном итоге размер транзистора в теории должен стать равным размеру
атома, но теоретически такой транзистор существовать не может. Ко всему
прочему с уменьшением транзистора, происходит и ускорение его работы,
таким образом, что вскоре скорость их переключений может достигнуть
предельной, т.е. скорости света. Более того, эти проблемы появятся по грубым
подсчетам уже через 10-15 лет, если конечно не изменить саму технологию и
принцип создания транзистора.
Кроме этих «предельных» проблем, есть и другие, которые мы поначалу
отбросили, но теперь стоит упомянуть и их. Классическая проблема – проблема
КПД транзистора. Дело в том, что увеличение скорости работы транзистора и
увеличение их числа на монокристалле, также увеличивает тепловыделение.
Например, сейчас процессор при работе нагревается до 50-70 градусов без
нагрузки, и до 100 градусов при высоких вычислительных процессах, это с
учетом того что он охлаждается радиатором с кулером. Вторая немаловажная
проблема заключается в технологии производства процессоров. Современная
литография использует ультрафиолетовый свет для засветки через трафарет
фоточувствительного слоя, нанесенного на поверхность полупроводникового
материала. После этого материал подвергается процессу химического
травления кислотами, в результате чего формируется топография микросхемы,
процесс схож с производством печатных плат. В настоящее время эта
технология приблизилась к своему пределу. Технологическому процессу
начинают мешать такие явления как интерференция и другие. Поэтому, чтобы
перевести процесс в область нанолитографии необходимо использовать
источники света с меньшей длиной волны, чем у применяемых сейчас.
Рассмотрим теперь способы решения наших проблем. Начнем с КПД, как с
наименее важной. Само по себе падение КПД не так страшно, её решение
сводится всего лишь к потребляемой мощности процессора, которое требует
более мощного блока питания, то есть упирается только в деньги. Значительно
страшнее процесс перегрева кристалла, ведь при сильном увеличении
температуры транзисторов, сперва падают их качественные характеристики
(скорость переключения, коэффициент усиления и т.д.), а затем он просто
выходит из строя. Самое простое решение – использовать более эффективное
охлаждение, водное например, или охлаждение жидким азотом. Более сложно,
но и более эффективно – менять технологию производства, что уже и было
осуществлено, а именно в 2001 году создан первый двухъядерный процессор
компанией IBM. Т.к. основной причиной тепловыделения является потери при
переключении транзисторов, то увеличение количества переключений в
секунду (тактовая частота) ведет к увеличению тепловыделения. Многоядерные
процессоры и являются решением, т.е. вместо того чтобы увеличить тактовую
частоту одного ядра процессора, на кристалле делают несколько ядер с
одинаковой тактовой частотой, в результате происходят параллельные
вычислительные процессы, следственно конечные вычисления выполняются
быстрее, пропорционально количеству ядер. Не менее эффективно снижает
тепловыделение и использование специальных ядер, занятых решением
конкретных задач, таких как кодировка видео, работа с графикой,
распознавание речи. Тепловыделение специализированного ядра может
составлять единицы ватт, тогда как для решения аналогичной задачи
процессором общего назначения потребовалось бы 50-75 Вт [2].
Переходим к следующему пункту. Исследователи из Университета Пурду и
Национальной Лаборатории Аргонна разработали методику, которая позволит
вывести на совершенно новый качественный уровень технологию
традиционной литографии. Исследователи совместили две различных
технологии для создания плазменных пучков, которые излучают
«экстремальный» ультрафиолетовый свет с длиной волны 13.5 нм. Такая длина
волны ровно в десять раз меньше длины волны источников света, применяемых
сейчас для литографии. Одна технология использует лазер, вторая –
электрический разряд. В результате совмещения этих технологий создается
высокотемпературная плазма, в которой проходят реакции термоядерного
синтеза, которые и являются источником желаемого ультрафиолетового
излучения. Правда, пока эффективность этой технологии чрезвычайно низка,
всего 1-2 процента потраченной энергии преобразуются в плазму, а еще меньше
– в ультрафиолетовое излучение. Но ученые продолжают поиски с целью
увеличения эффективности, для этого они используют компьютерную
имитацию, названную HEIGHTS, которая позволяет им имитировать полностью
весь процесс. Эта имитация позволяет ученым избегать проведения большого
количества дорогостоящих экспериментов для поиска решения проблемы,
экспериментальным путем проверяются только результаты расчетов,
показавших необходимые результаты.
Перейдем к решению главной проблемы. Сотрудники IBM развивают
технологию, работая с углеродными нанотрубками. Такие трубки могут
состоять лишь из нескольких атомных слоев и при этом быть в тысячу раз
прочнее стали. В зависимости от размера и формы, углеродные нанотрубки
могут обладать полупроводниковыми или металлическими свойствами.
Транзисторы, построенные на базе таких нанотрубок, в сотни раз меньше тех,
что содержатся в современных микросхемах. В 2001 г. IBM представила
первый одноэлектронный транзистор (Carbon Nanotube Field-Effect Transistors,
СNFET). Чуть позже ученым подразделения IBM Research удалось получить
углеродную структуру в виде нанотрубки, которая полностью реализует один
из трех основных логических элементов — элемент логического отрицания НЕ.
Затем исследователи сконструировали на основе новых устройств элемент
логического ИЛИ — НЕ, а также триггер и мультивибратор. Кроме того, в IBM
разработана технология получения массивов углеродных нанотрубок. Массив
“волокон” из металлических и полупроводящих нанотрубок (своеобразная
заготовка) размещается на кремниевой пластине, верхняя поверхность которой
образована слоем оксида кремния. После этого методом литографии на
пластину наносятся электроды. В дальнейшем им отводится роль электродов
транзистора — затвора, стока и истока. Здесь же необходимо отметить, что
нижний, кремниевый слой пластины тоже служит электродом, позволяющим
сделать углеродные трубки токонепроводящими. После подобного
блокирования углеродных нанотрубок между стоком и истоком подается
высокое напряжение, из-за чего металлические трубки разрушаются. В
результате такой процедуры остаются только полупроводящие трубки,
формирующие массив транзисторов с заданными свойствами, который можно
использовать для построения логических схем [3].
Сотрудникам исследовательского подразделения General Electric удалось
получить уникальное полупроводниковое устройство на основе углеродных
нанотрубок. Дело в том, что изобретение инженеров GE может работать как в
качестве диода (именно на этом варианте акцентируется основное внимание
специалистов), так и в качестве транзистора. При этом нанодиод является
одним из самых миниатюрных, если не самым миниатюрным за всю историю
полупроводниковым устройством. Он выполнен по обычной схеме путем
соединения двух полупроводников: одного с электронной, а другого — с
дырочной проводимостью. В случае традиционных полупроводников на базе
кремния тип проводимости задается с помощью примесей, создающих избыток
или недостаток электронов в структуре вещества. Но если процесс дозирования
примесями кремния давно отработан, то ввести примеси в углеродные
нанотрубки еще никому не удавалось. Поэтому исследователи пошли другим
путем и решили создавать избыток или недостаток электронов в нанотрубках с
помощью электрического поля. Для этого в нанодиод был введен миниатюрный
электрод с разделенным на две части затвором. Два расположенных в одной
плоскости затвора соединяются с двумя половинами нанотрубки. Таким
образом получается устройство, похожее на обычный полевой транзистор, где
затвор также разделен на две независимые части. Чтобы полученная система
функционировала как нанодиод, необходимо подавать на один затвор
положительное напряжение, а на другой — отрицательное. В результате такой
операции появится p-n-переход, необходимый для работы диода. Если же
подавать на затворы одинаковое (только положительное или только
отрицательное) напряжение, получится нанотранзистор, работающий по схеме
p-n-p или n-p-n, в зависимости от знака приложенного напряжения [4].
Все это позволяет надеяться, что закон Мура будет действовать даже тогда,
когда обычная кремниевая электроника дойдет до своего естественного
предела.
1.
2.
3.
4.
Список литературы
http://cs.usu.edu.ru/study/moore/
http://www.dailytechinfo.org/electronics/491-ispolzovanie-yadernogo-sinteza-pozvolit-preodolet.html
http://www.kinnet.ru/cterra/575/37383.html
http://www.algonet.ru/?ID=482172