LT   EN   RU  
2020 г. июль 16 д., четверг Straipsniai.lt - Информационный портал
  
  Компьютеры > Компьютерные технологии > Комплектующие > Процессоры
Lankomumo reitingas Версия для печати Spausdinti
Ученые из Intel положили предел закону Мура

В опубликованной недавно работе утверждается, что действие закона Мура, на который сегодня обычно ссылаются производители чипов, подходит к концу.

Считалось, что закон продержится еще по крайней мере два десятилетия, однако исследователи Intel опубликовали теорию, согласно которой при попытках дальнейшего уменьшения размера транзисторов производители процессов упрутся в стену. Примерно к 2018 году они смогут освоить 16-нм технологический процесс и, возможно, подняться еще на одну-две ступени - и всё.

«Это, похоже, фундаментальный предел», — говорит директор по технологической стратегии Intel Паоло Гарджини. Работа «Пределы масштабирования двоичных логических ключей — модель Геданкена» написана четырьмя авторами и опубликована в «Трудах IEEE» в ноябре.

Ученые часто теоретизируют по поводу предела миниатюризации транзисторов, но для специалистов Intel это необычное заявление, что подчеркивает трудности, стоящие перед разработчиками. Эти трудности должны широко обсуждаться на открывшейся на этой неделе в Тайване конференции International Technology Roadmap for Semiconductors ( ITRS), цель которой — сформулировать основные проблемы и примерный план развития отрасли на 15 лет.

По словам Гарджини, чтобы преодолеть некоторые барьеры, исследователи все же проверяют разные идеи, такие как более эффективное использование электронов или простое увеличение размеров чипов. «Нельзя допустить, чтобы физика нас победила», — шутит он.

Неразличимый барьер

Проблема, с которой столкнулись производители чипов, относится к категории «разделяй и властвуй». По существу транзисторы представляют собой микроскопические выключатели, состоящие из истока, стока и затвора, который управляет потоком электронов в канале, соединяющим исток и сток.

Если ток течет от истока к стоку, транзистор открыт, что соответствует логической «1». Если ток не течет, транзистор закрыт, что соответствует логическому «0». Миллионы этих действий и составляют основу работы ПК. Так что для получения надежных результатов требуется четкое управление затвором и областью канала транзисторов.

Однако, когда длина затвора сократится до 5 нм, начнет проявляться туннельный эффект. Из-за чрезвычайной близости истока к стоку электроны начинают сами проскакивать канал. Гарджини приводит сравнение с водопадом: если сквозь него ничего не видно, это препятствие человеку придется обходить, если же это всего лишь тонкая водяная завеса, то он пройдет сквозь нее. «Встречая барьер, электроны проникают на определенное расстояние вглубь, — говорит он. — Если же две области достаточно близки, они начинают обмениваться зарядами, даже если к затвору не приложен потенциал».

В этом случае транзистор становится ненадежным источником данных: вероятность спонтанного переключения достигает 50%. Иными словами, поведение электронов становится непредсказуемым, то есть в действие вступает принцип неопределенности Гейзенберга. При 16-нм технологической норме производственного процесса затвор транзистора как раз достигает длины примерно в 5 нм.

Когда чипы смогут достичь таких размеров — вопрос спорный. На бумаге новый производственный процесс разрабатывается каждые два года. Недавно освоен 90-нм процесс, в котором длина затвора составляет 37 нм. Если следовать двухгодичному циклу, то 16-нм чипы должны появиться в 2013 году. Однако в последнее время производители задерживают внедрение новых процессов. При переходе на трехгодичный цикл появления чипов с 50-нм каналом можно ожидать к 2018-2019 году. В графике ITRS будет больше подробностей о разных технологиях, запланированных на тот или иной год.

По словам Гарджини, туннельный эффект проявляется независимо от химического состава материалов транзистора. Несколько ученых, предсказывавших конец действию закона Мура, ошиблись, опираясь в своих прогнозах на определенные материалы. Конструкторы непрерывно меняют материалы и структуру полупроводников. Например, Intel и Advanced Micro Devices планируют заменить кремниевые затворы транзисторов металлическими, что позволит к 2007-2009 году производить чипы с технологической нормой 45 нм. Длина затвора этих транзисторов, согласно графику ITRS, составит 18 нм.

Авторы из Intel ставят в своей работе следующий вопрос: почему бы не сделать нечто, основанное на фундаментально иных принципах. «Ценность наших выводов заключается в том, что они не зависят от материалов», — пишут они.

Теоретически в сокращении размеров конструкторы микросхем могут зайти немного дальше. «Вероятно, можно дойти до 4 нм», — говорит Гарджини. Но для этого придется увеличить потребляемую чипом энергию, чтобы сделать барьер более устойчивым к туннельному эффекту.

Энергетическая проблема

Но потребляемая энергия и без того составляет проблему для конструкторов. Ее увеличение не только усложняет доставку питания к микросхеме, но и повышает опасность сбоев в их работе из-за высокой температуры.

«Масштабирование двоичных ключей, упакованных с предельной плотностью, в конечном счете ограничено способностью системы отводить тепло, — говорится в работе. — Одновременное повышение плотности упаковки и быстродействия неизбежно перейдет в размен между тем и другим, чтобы снять тепловое ограничение».

Гарджини и другие исследователи не видят простого решения энергетической проблемы. Активные системы охлаждения могут понизить внутреннюю температуру компьютеров, но нуждаются в отдельных источниках энергии, которые создают примерно столько же тепла, сколько отводят. В результате, даже если можно было бы получить транзисторы с каналом длиной 3 нм, гипотетическая микросхема на таких транзисторах все равно бы перегревалась.

«С общеэнергетической точки зрения природу не обманешь», — говорит Гарджини.

И хотя бы даже удалось решить проблемы энергопотребления и туннельного эффекта, при размере затвора в 1,5 нм транзисторы все равно упрутся в барьер. На это указывают вычисления минимальной энергетической ямы, из которой можно достать электрон.

В отличие от обычного транзистора, где исток, канал и сток расположены вдоль горизонтальной линии, транзистор с 1,5-нм затвором может иметь вертикальную структуру. По правилам миниатюризации такие транзисторы могли бы появиться через четыре-шесть лет после транзисторов с 5-нм затвором, то есть в 2017-2025 годах.

Одна чисто теоретическая идея заключается в многократном использовании электронов. В современных архитектурах электроны перемещаются от истока к стоку, а затем теряются. «При утилизации вы просто переносите электрон в другое место, — поясняет Гарджини. — Можно производить множество операций, не теряя электронов».

Другая альтернатива — углеродные и кремниевые нанотрубки. Транзисторы, изготовленные из таких материалов, имеют сопоставимые размеры. Диаметр углеродных нанотрубок 1-2 нм, но в экспериментальных транзисторах исток и сток расположены по их длине. В результате можно повысить быстродействие и уменьшить потребляемую энергию — но размер больше не сократится.

«Экзотические структуры, такие как углеродные нанотрубки, могут найти применение в технологии КМОП (комплементарные металл-оксидные полупроводники) не столько для ускорения темпов миниатюризации, сколько для повышения производительности устройств или, возможно, упрощения их изготовления, — говорится в работе. — Даже если для цифровой логики будет изобретено принципиально иное средство перемещения электронов, возможности его масштабирования для повышения плотности и производительности не зайдут много дальше пределов, достижимых технологией КМОП, главным образом из-за ограничений, налагаемых требованием отвода тепла».

Другая альтернатива — изготавливать чипы больших размеров, наращивая их площадь или строя трехмерные многослойные микросхемы. Такие решения предлагали сооснователь Intel Гордон Мур и профессор Стэнфордского университета Том Ли и другие.

Майкл Канеллос (Michael Kanellos), CNET News.com

            

Lankomumo reitingas

Oбсудить на форуме - Oбсудить на форуме

Версия для печати - Версия для печати

Назад
Случайные теги:    Фехтирования (6)    Наука (90)    Сертификаты SSL (10)    Алкохольные напитки (29)    Филателия (15)    Анна Ахматова (3)    Право человека (8)    Медицина (84)    Сканеры (2)    Криптография (17)    Общение (322)    Прогр. обеспечение (15)    Литература (4)    Английский язык (2)    Астрология (13)    Политика (3)    Лов рыбы (11)    Стиль (5)    Сельское хозяйство (19)    Боевые искусства (10)    Развлечения (26)    Пиво (29)    Ислам (3)    Любовь (32)    Авиация (2)    Книги (2)    Египет (5)    Буддизм (3)    Мама и ребенок (19)    Цветоводство (6)    Спорт (40)    Операционные системы (8)    Азербайджан (7)    Звуковые системы (8)    Накопители (2)    Кошки (11)    Биология (34)    Шахматы (2)    Спортивная гимнастика (4)    Транспорт (11)    Открытый код (2)    Фото (11)    Еврейи (10)    Страны (22)    Драконы (12)    Казино (9)    Садоводство (12)    Воспитания (3)    Собаки (6)    Хакеры (116)
1. CeBIT 2005: восьмипроцессорная система от TYAN
2. Turion — соперник Centrino от AMD
3. Intel начинает широкую реорганизацию
4. В семействе Pentium М новый глава
5. 4-ГГц Pentium 4 не будет
6. Intel выстрелила игровой чип
1. CeBIT 2005: восьмипроцессорная система от TYAN
2. Intel выстрелила игровой чип
3. Turion — соперник Centrino от AMD
4. 4-ГГц Pentium 4 не будет
5. В семействе Pentium М новый глава
6. Intel начинает широкую реорганизацию
Map