После того как микросхемы в своём стремлении стать всё меньше упрутся в ограничения физического характера, их развитие, конечно, не зайдёт в тупик. Но вот в отношении наилучшего продолжения их эволюции единого мнения у специалистов нет.
Теоретики спорят. А некоторые учёные тем временем создают экспериментальные приборы, в которых воплощены свежие идеи.
Кремниевые микросхемы ужимать скоро будет особо некуда. Тут индустрия испытывает технологические трудности, которые героически решает, но на горизонте маячат барьеры, возводимые самой природой, — на работу полупроводниковых устройств наноразмерного масштаба оказывают дестабилизирующее влияние "чудеса" квантовой физики. Значит, пора думать о компьютерах принципиально нового устройства? Да. Но хорошо бы, чтоб при этом для выпуска таких фантастических машин не пришлось и промышленность создавать "принципиально новую".
Между тем ряд экспертов полагают, что вовсе не обязательно уповать на совсем уж экзотические варианты компьютеров. И традиционные технологии, мол, ещё как повоюют. Только нужно скорректировать их, добавить в ставшие классическими принципы построения чипов пару-тройку новых измерений.
Спинтронные устройства (примеры 1 и 2), компьютеры, работающие с фотонами вместо электронов (1, 2), квантовые процессоры (1, 2)... Чего только не придумают люди взамен банальных кремниевых "пластинок". Всё это находится в стадии исследований и сырых прототипов, довольно далёких от практического применения, 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. Например, на нитрид галлия (GaN): он обладает рядом свойств, позволяющих создавать из него более расторопные элементы схемы, работающие на гораздо больших частотах переключения, чем кремний.
Первый в мире транзистор из нитрида галлия был создан в мае 2008 года в политехническом институте Ренсселера (Rensselaer Polytechnic Institute). Однако путь до полноценных микросхем из этого материала оказался тернист.
С тем же GaN, равно как с рядом других заманчивых материалов, труднее работать, когда необходимо наладить тесную интеграцию таких элементов на схеме. А ведь как заманчиво перейти на новую начинку. Ещё в 2005-м, к примеру, физики воспользовались фосфидом индия и арсенидом галлия-индия и создали транзистор, работающий на тактовой частоте 604 гигагерца.
Но вернёмся к GaN. Вот ведь незадача – и к масштабированию технология создания галлий-нитридных транзисторов тоже приспособлена плохо. Кремниевые процессоры уже перешагнули планку в 2 миллиардатранзисторов на единой схеме, но при попытке построить нечто похожее из GaN начинаются проблемы.
Ныне профессор Томас Паласиос (Tomas Palacios) и аспирант Уилл Чун (Will Chung) из Массачусетского технологического института (MIT) нашли изящный выход из положения.
"Исследователи могут сделать один, десять или даже несколько сотен экзотических транзисторов, которые будут действительно очень быстры, — говорит Томас, — но крайне трудно делать их в большом количестве". А тогда зачем биться лбом об стену и пытаться построить целую микросхему из GaN? Может, для должного эффекта достаточно обойтись только небольшой её частью?
И правда, в современном процессоре не все элементы должны непременно работать на высоких скоростях. По словам Паласиоса, лишь от 5 до 10% транзисторов в схеме играют ключевую роль в перемалывании чисел, и вот эти 10% необходимо делать как можно более быстрыми. Остальные могут работать медленнее без ухудшения общего результата. Отсюда напрашивается выход: построение гибридной схемы из нитрида галлия и кремния. Первый такой процессор и создали Томас, Уилл и их коллеги.
В технологии построения гибридных схем нет ничего принципиально нового, ради чего пришлось бы радикально переделывать отлаженные процессы на предприятиях электронной промышленности. В этом одно из главных преимуществ новых чипов (фото Patrick Gillooly).
Заметим, это не два сформированных по отдельности чипа, соединённые в некой сборке, — это единая пластина, на которой авторы сумели создать как транзисторы из традиционного материала, так и из GaN. Этого удалось добиться, добавив тонкий слой нитрида галлия на поверхность обычной кремниевой основы, применяющейся в микроэлектронной промышленности.
Традиционные кремниевые транзисторы в новой схеме были типа MOSFET (металл-оксид-полупроводник), а быстрые транзисторы — так называемого типа HEMT(High Electron Mobility Transistor), то есть с высокой мобильностью электронов. Ранее транзисторы HEMT делали из арсенида галлия и арсенида алюминия галлия, но исследователи в разных институтах всё больше склоняются к мысли, что именно нитрид галлия в данном случае обещает большие перемены.
Итак, поскольку львиная доля транзисторов в новой схеме — вполне обычная, и работает на сравнительно низкой скорости, чип не прожорлив, а коль сердцевина схемы — быстрые галлиевые транзисторы, и общая эффективность её высока.
Правда, с нынешним оборудованием в лаборатории Паласиос и его коллеги могут строить такие смешанные чипы лишь с площадью около одного квадратного дюйма (2,5 х 2,5 см), в то время как в серийном производстве микросхем используют большие пластины-заготовки диаметром 8 или 12 дюймов (20,3 и 30,5 см). Десятки и сотни процессоров на них формируются сообща, а потом уже эти заготовки разрезают на отдельные небольшие пластинки, которые снабжают контактами-ножками и встраивают в индивидуальные корпуса.
GaN-схемам ещё предстоит пройти путь до такого массового производства. Но у авторов гибридного чипа уже есть идеи, как добиться увеличения площади пластин без ущерба для качества продукта. Учёные из Массачусетского технологического сотрудничают с рядом компаний, совместно изучая возможность коммерциализации технологии. Пусть на это уйдёт несколько лет, зато возможности открываются интересные.
Чипы с галлий-нитридными вставками можно изготавливать на существующих предприятиях. Такие схемы обещают стать не только более быстрыми, чем нынешние. Новый принцип обработки позволит проектировать чипы смешанного типа, сочетающего на одной пластине крошечные электронные и оптические (лазеры) компоненты. Также можно будет строить цифровые радиочастотные схемы на одном чипе, что упростит, к примеру, сотовые телефоны, которые ныне содержат четыре или пять раздельных микросхем разного типа (и созданные из разных материалов).
Ну а если и с такими усовершенствованиями электронным схемам сложно будет следовать знаменитому закону Мура, а, к примеру, трёхмерные чипы, с которыми некоторые связывают большие надежды, окажутся недостаточно технологичными, у исследователей найдётся ещё один туз в рукаве. Это мемристор (memristor) — "потерянное звено" в теории электроники.
Напомним, что этот базовый элемент логической схемы представляет собой сопротивление с памятью, меняющее своё состояние в зависимости от прошедшего по нему ранее тока. Впервые мемристор был создан в лабораториях Hewlett-Packard (HP Labs) в начале прошлого года, а в феврале года нынешнего американская компания построилапервый гибридный чип, содержащий мемристоры и транзисторы.
Мемристоры — очень привлекательное направление в электронике. И вот почему. Из этих элементов можно строить эффективную, энергонезависимую (не потребляющую ток в процессе хранения) память и логические блоки, способные в ряде случаев заменять транзисторы. Мемристоры во время работы требуют небольших токов, а значит, мало греются. Их можно упаковывать намного плотнее.
Так создаётся заданный рисунок из мемристоров. Один элемент – это одно пересечение двух тончайших проводников, между которыми нанесена прослойка из специального материала (фото J.J.Yang/HP Labs).
Сто мемристоров (из которых смонтирован некий набор "логики") эквивалентны примерно 700-1200 транзисторам. Так утверждает Стэнли Уильямс (Stanley Williams), в группе которого и было создано "потерянное звено". Выгода налицо. И надо ли объяснять, как важно научиться интегрировать "поля" из мемристоров в микросхемы традиционной конструкции?
Опытная схема, показанная в начале года, содержала 882 мемристора. При этом они располагались в паре отдельных районов схемы (словно некие города), а транзисторы находились на периферии (как пригородные посёлки). Соединяли их длинные проводящие дорожки-лучи. В плане грядущего уплотнения чипов такая архитектура была не слишком выгодной, но ведь HP Labs важно было показать работоспособность идеи.
Ныне исследовательское подразделение знаменитой компании сделало ещё один шаг вперёд: Уильямс и его команда сумели нанести при помощи нанолитографии слой из 10 тысяч мемристоров поверх классической кремниевой CMOS-микросхемы.
Самым крупным препятствием тут оказалась неровная поверхность чипа. Даже выступы в одну десятитысячную миллиметра были чрезмерно большими для целей учёных. Потому в HP Labs задействовали несколько видов физической и химической полировки.
Затем 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, особым образом обработанного. Так и получились мемристоры. Набор дополнительных медных проводников соединил полученную решётку с изначальной кремниевой пластинкой внизу.
Схема нового чипа с добавочным слоем мемристоров. Детали этой работы можно найти в статьев Nano Letters (иллюстрация Qiangfei Xia et al.).
"Новая гибридная система поднимает сети маршрутизации сигналов и коммутаторы над плоскостью CMOS-чипа, — говорит Уильямс. — Это высвобождает пространство на основном слое CMOS для большего количества элементов, эффективно увеличивает плотность схемы без необходимости уменьшать транзисторы дальше".
Комбинация транзисторов и мемристоров позволяет создавать и программируемые логические матрицы (field-programmable gate array) — перестраиваемые на ходу чипы для экспериментов в области электроники, которые исключают необходимость в постройке множества опытных схем с различной архитектурой.
А дальше можно на этой основе построить и вовсе нечто странное: схемы, работающие с состояниями единичных ячеек памяти между 0 и 1. Нет, в данном случае речь не о квантовых компьютерах и не о суперпозициях квантовых состояний. Всё проще.
Сами мемристоры и проходящие через них токи можно настроить так, что в данных элементах смогут храниться не только двоичные единицы и нули, но и фиксированные значения вроде 0,2, 0,5 или 0,9, — объясняет в пресс-релизеHP 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).
Пока опытные схемы, построенные группой Стэнли, не слишком быстры. Но коль скоро учёные получили возможность изучить работу таких элементов в реальном устройстве, за оптимизацией конструкции и повышением производительности дело не станет. В общем, мемристоры пока ещё только пробуют свои силы, но однажды займут законное место в серийных чипах, вместе с транзисторами, диодами, конденсаторами и сопротивлениями.
Эксперименты в области электроники идут сразу по такому множеству направлений, что заранее едва ли кто-то сможет предсказать, во что всё это выльется. Не пойдут по каким-то причинам компьютеры с нитридом галлия — в бой будут брошены другие новации, вроде умного аппаратного распараллеливания исполняемых программ внутри центрального процессора или ЦП с 80 ядрами. А там, глядишь, и серийные квантовые схемы с фотонными чипами да спинтроникой подтянутся.
