Новые чипы изменят компьютеры.

Крупнейшие прорывы в области ИТ-технологий
Представьте себе мир, в котором электронные устройства заряжают себя сами, музыкальные плееры способны сразу проиграть всю вашу фонотеку, батареи самозаряжаются, а чипы изменяют свои характеристики на лету. Судя по тому, над чем сейчас работают американские исследовательские лаборатории, все это не только возможно, но и перспективно.
Брайан Нэйдел
«Следующие пять лет станут действительно впечатляющим периодом в развитии электроники, -- считает Дэвид Сейлер, глава подразделения полупроводниковой электроники коммерческого отдела Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) в Гейтерсберге, шт. Мерилэнд. – Множество вещей, которые в наши дни кажутся далекой фантастикой, получат повсеместное распространение».
Итак, вы готовы начать путешествие в будущее электроники? Идеи, о которых мы расскажем сейчас, могут выглядеть фантастически или покажутся лишенными здравого смысла, но их объединяет то, что они уже были опробованы в лабораториях и имеют все шансы превратиться в коммерческие продукты в ближайшие пять лет.
Чипы без проводов: лазерное соединение
При большом увеличении можно увидеть, что на поверхности типичного микропроцессора расположены миллионы тончайших соединений («проводков»), которые тянутся во все стороны, соединяя активные элементы. Заглянув внутрь, вы найдете еще в 5 раз больше «проводков». Юрген Мишель (Jurgen Michel), ученый из Центра микрофотоники при Массачусетском технологическом институте в Кембридже (MIT's Microphotonics Center in Cambridge), намерен заменить все эти провода импульсами германиевых лазеров, передающих данные с помощью инфракрасного излучения.
«По мере увеличения числа ядер и компонентов в процессорах соединительные провода переполняются данными и становятся слабым звеном. Использование фотонов вместо электронов позволяет улучшить ситуацию», -- объясняет Мишель.
Транслируя данные со скоростью света, германиевые лазеры способны передавать биты и байты информации в 100 раз быстрее, чем путем перемещения электронов по проводам. Это особенно важно для связи между ядрами процессора и его памятью. Так же, как оптоволоконные линии улучшили эффективность телефонных звонков, использование лазеров в микропроцессорах может поднять скорость обработки данных на небывалые высоты.
Самое приятное, что система, предложенная в MIT, не требует применения внутри процессоров огромного количества тоненьких кабелей. Вместо этого, чип содержит множество скрытых туннелей и полостей, по которым перемещаются световые импульсы, а крошечные зеркала и сенсоры передают и интерпретируют данные.
Сочетание традиционной кремниевой электроники с оптическими компонентами, известное как кремниевая фотоника, может сделать компьютеры более экологичными. И все потому, что лазеры потребляют меньше энергии, чем провода, и излучают меньше тепла в окружающее пространство.
«Оптоэлектроника – настоящий святой Грааль, -- утверждает Сейлер. – Она позволяет расширить возможности электроники и предоставляет при этом отличный способ снизить энергопотребление, поскольку не содержит проводов, являющихся настоящими излучателями тепла в окружающее пространство».
В феврале 2010 г. Мишель и его коллеги Лайонел Кимерлинг и Джифенг Лиу успешно создали и протестировали действующую схему, использующую для передачи данных встроенный германиевый лазер. В новом чипе была достигнута скорость передачи данных свыше 1 Тбит/с, что на два порядка быстрее, чем позволяют лучшие современные чипы с проводными соединениями.
Новый чип был создан с использованием современных технологий производства полупроводников с некоторыми дополнениями, поэтому Мишель считает, что переход к использованию чипов на основе лазерных соединений состоится уже в ближайшие пять лет. Если дальнейшие тесты пройдут успешно, MIT лицензирует технологию производства. Широкое распространение нового типа чипов ожидается к 2015 г.
Более того, к 2015 г. ожидается появление компьютеров с 64-ядерными процессорами, ядра которых будут работать независимо и одновременно.
«Соединять их проводами – тупиковый путь, -- объясняет Мишель. – Использование германиевого лазера имеет грандиозный потенциал и большое преимущество».
От сажи к схемам: графены
На протяжении последних 45 лет количество транзисторов в кремниевых процессорах компьютеров удваивалось каждые два года, доказав, что закон Мура пока работает так же надежно, как и закон всемирного тяготения. По мере того как активные элементы чипов становились все меньше и дешевле для производства, в конечные устройства их можно было втиснуть во всевозрастающих количествах, что, в свою очередь, увеличивало сложность, возможности и… энергопотребление электроники.
Но на самом деле такой путь оказался тупиковым. Ученые пытались поместить в кремниевый чип еще больше транзисторов, но при переходе на 14-нм технологию начались трудности с дальнейшей миниатюризацией элементов, ведь 14 нм – это размер двух молекул гемоглобина в нашей крови, или около одной тысячной размера гранулы тальковой пудры.
Вещество под названием графен вдохнуло новую жизнь в закон Мура, доказанный кремниевыми технологиями. Графен представляет собой слой атомов углерода, выстроенных в виде шестиугольных ячеек. Толщина такого слоя – 1 атом. Под электронным микроскопом графен очень похож на пчелиные соты.
«Он не только странно выглядит, но и обладает необычными свойствами, -- говорит Вольт де Гир, заведующий нанолабораторией Технологического института Джорджии. – Графен – уникальный материал будущего. Он скоростной, потребляющий мало энергии, и из него можно делать самые миниатюрные элементы. Его возможности превосходят кремний, он позволяет делать то, что не под силу кремнию. Именно за ним будущее электроники».
Исследователи в области полупроводников экспериментировали с графеном еще с 70-х гг. прошлого века. Но до недавнего времени им не удавалось создать ультратонкие слои графеновых сот. Ученые из Манчестерского университета Андре Гейм и Константин Новоселов успешно создали первые графеновые слои в 2004 г. (за это и другие достижения в исследовании графенов они были в 2010 г. удостоены Нобелевской премии). После этого графеновые технологии начали быстро развиваться.
В начале 2011 г. группа де Гира создала провода из графена – первый большой шаг на пути к созданию микрочипов. Толщины провода около 10 нм удалось добиться путем эпитаксии – наращивания чистого графена на кремниевой подложке. (Эпитаксия – процесс выращивания тонкого слоя кристалла на подложке из другого кристалла, так что наращиваемый слой повторяет структуру субстрата).
В конце концов ученым удалось получить графеновые структуры, имеющие толщину 1 нм, которые оказались гораздо более скоростными, чем кремний. По прогнозам ученых, использование графенов позволит создать процессоры с частотой, измеряемой в терагерцах, – это в 20 раз быстрее, чем быстродействие современных кремниевых процессоров.
В следующем году ученые Технологического института Джорджии надеются завершить создание прототипа чипа со встроенным графеном и протестировать возможности использования уникальных свойств этого материала для создания микросхем.

Ученые из IBM создали экспериментальные транзисторы и интегральные схемы на основе графенов, используя стандартные технологии производства полупроводников. По их словам, это может считаться первым шагом на пути к использованию графенов в промышленных масштабах.
«Эта область имеет огромный потенциал, -- рассказал директор Департамента физических наук IBM Супратик Гуха. – Графены найдут применение в военной промышленности и в беспроводных технологиях, кроме того, их можно будет интегрировать с кремнием. Сегодня нужно хорошо потрудиться, чтобы продемонстрировать возможности создания схем усилителей с интегрированными в них высококачественными активными элементами из графена».
По прогнозам, первые продукты, использующие графены, появятся в 2013 г. Поэтому пока преждевременно ожидать появления в ближайшее время сверхскоростных ноутбуков с графеновыми процессорами. Если такая техника и появится, она будет слишком дорогой и сможет найти применение лишь в тех областях, где цена не имеет значения по сравнению с высокими скоростями и низким энергопотреблением.
Привычные нам интегральные схемы тоже когда-то были «дорогим удовольствием» и применялись лишь в военной промышленности и для других особых целей. История ИТ-области такова, что многие вещи являются в мир дорогими и труднодоступными, а затем становятся дешевыми и общераспространенными. Производные графена имеют огромный потенциал, предполагается, что они смогут прочно войти в нашу жизнь уже в ближайшие десять лет.

 

Купить номер с этой статьей в PDF
5124