Замена кремния в процессорах
«Темный» кремний — это часть процессорных транзисторов, отключенная производителем в целях снижения энергопотребления. Инженеры уверены, что при правильном использовании таких транзисторов можно одновременно добиться значительного увеличения производительности и уменьшения потребления/выделения энергии. О различных подходах к использованию «темного» кремния читайте в этом материале.
Мы живем в очень интересную эпоху компьютерной индустрии. Из-за того, что используемые в настоящее время технологии могут исчерпать свой ресурс в обозримом будущем, крупные компании вместе с учеными находятся в поисках новых решений, способных вывести производительность и энергоэффективность компьютеров на качественно новый уровень. Одним из таких решений является технология Dark Silicon («темный» кремний), о которой и пойдет речь в сегодняшнем материале.
Немного о законах Деннарда и Мура
Закон Мура наглядно
Интересно, что в то время, как закон Мура известен практически всем, мало кто слышал о законе Деннарда. Роберт Деннард — ученый из компании IBM Research — в 1974 году представил работу о теории масштабирования, объясняющую закон Мура. После работы с памятью типа DRAM (Dynamic Random Access Memory) и транзисторами MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) Деннард опубликовал работу, в которой он выдвинул теорию пропорционального уменьшения размеров транзистора. Другими словами, в статье был подробно описан процесс масштабирования микросхем. По большому счету, именно закон Деннарда, а не закон Мура, стал движущей силой для развития электронной индустрии. Закон Деннарда заключается в том, что при уменьшении размера транзистора в n раз, производительность при идеальных условиях увеличится в n 3 раз. При этом показатели энергопотребления остаются прежними.
Однако и здесь не все так просто. При уменьшении размеров транзистора возрастают токи утечки, которые напрямую влияют на общее энергопотребление процессоров. Особенно остро вопрос встал в начале 2000-х годов с выходом процессоров Northwood, Prescott и других. С течением времени в производстве процессоров для уменьшения токов утечки использовались материалы с высоким показателем диэлектрической константы (High-k), транзисторы с металлическим затвором, а при переходе на 22-нм технологические нормы компания Intel изменила структуру самих транзисторов.
Блок-схема «классического» транзистора
А ведь можно сделать и вот так!
Были и некоторые другие решения для уменьшения токов утечки. Однако избавиться от них насовсем невозможно. Это привело к тому, что при производстве процессоров часть транзисторов просто отключается из-за необходимости уложиться в рамки по энергопотреблению. Эта часть процессора с неработающими транзисторами была названа «темным» кремнием.
Процессор Intel Northwood
Одними из первых, кто обратил внимание на «темный» кремний, стали профессоры Майкл Тейлор (Professor Michael B. Taylor) и Стивен Суонсон (Professor Steven Swanson), а также доктор Джек Сэмпсон (Dr. Jack Sampson) из Калифорнийского университета Сан-Диего. К настоящему времени эти ученые в составе группы UCSD Center For Dark Silicon проделали большую работу в изучении «темного» кремния, поэтому во многом наш рассказ будет опираться на результаты их исследований.
Дисульфид молибдена
Сам по себе сульфид молибдена довольно плохой полупроводник, который уступает по свойствам кремнию. Но группа физиков из университета Нотр-Дам обнаружила, что тонкие молибденовые пленки (толщиной в один атом) обладают уникальными качествами — транзисторы на их основе не пропускают ток в выключенном состоянии и требуют мало энергии на переключение. Это позволяет им работать при низких напряжениях.
Прототип молибденового транзистора разработали в лаборатории им. Лоуренса в Беркли в 2016 году. Ширина устройства составляет всего один нанометр. Инженеры говорят, что такие транзисторы помогут продлить действие закона Мура.
Также транзистор на основе дисульфида молибдена в прошлом году представили инженеры из южнокорейского университета. Ожидается, что технология найдёт применение в управляющих цепях OLED-дисплеев. Однако о массовом производстве подобных транзисторов пока говорить не приходится.
Несмотря на это исследователи из Стэнфорда утверждают, что современную инфраструктуру по производству транзисторов можно с минимальными затратами перестроить на работу с «молибденовыми» устройствами. Получится ли реализовать подобные проекты, предстоит увидеть в будущем.
С 1960-го года структура транзисторов, созданная командой Джея Ласта, практически не изменилась. Металл-Оксид-Полупроводник, сокращенно МОП-транзисторы являются основной частью современных компьютерный микрочипов. За 55 лет технологический процесс элементов компьютерных микрочипов значительно уменьшился, до 14 нм (топовый процессор Broadwell).
За все эти года было введено множество усовершенствований в производстве, структура микросхем стала расти не только в ширину/длину, но и в высоту. Теперь структура ЦПУ напоминает «мегаполис». Но за все эти годы главный компонент оставался неизменным — кремний, как и 55 лет назад так и сегодня он является основной частью микросхемы. К сожалению, а может и к счастью, это не может продолжатся вечно, у кремния есть предел, он не позволит уменьшить технологический процесс ниже 10 нм без потери производительности, так заявили инженеры корпорации Intel.
Не смотря на все это компания озвучила свои планы на будущее — достичь тех. процесса в 7 нм для своих микрочипов к 2018 году. Заявление хорошее, но сказать можно что угодно, иное дело исполнить планы. Мы это сможем узнать только через 3 года, хотя учитывая тот факт, что выпуск Broadwell откладывался несколько раз, то возможно ждать придется больше. И все же радует одно, у них есть план.
План этот прост — использовать вместо кремния иной полупроводник. Преемник кремния должен обладать большей подвижностью. Подвижность – это коэффициент пропорциональности между дрейфом носителя и внешним электрическим полем. Под дрейфом носителя подразумевается целенаправленна средняя скорость движения электрона под действием внешнего электрического поля. Подвижность очень важна в данной области, так как более высокое ее значение позволяет производить более плотные, быстрые микросхемы снижая их энергопотребление.
2016 год сулит нам разработку 10 нм техпроцесса производства для ЦПУ, такой тех. процесс вполне осуществим при использовании классических материалов. Но вот 2018 год обещает быть значительно интереснее, так как по словам все тех же представителей Intel, производство 7 нм микросхем применяя классический подход уже не возможно.
Перебирание различных элементов из периодической таблицы Менделеева, принесло свои плоды. Были выдвинуты различные кандидаты на роль альтернативных материалов взамен привычного всем кремния. Базовой ячейкой микропроцессоров является не одиночный транзистор, а минимум пара комплементарных (взаимодополняющих) МОП-транзисторов — сокращенно КМОП. Такие транзисторы бывают n-канальные и p-канальные. Для n-канальных транзисторов планируется использование InGaAs соединение из индия-галлия арсенида. Для p-канальных транзисторов кандидатом стал германий из IV группы, химически связанный с кремнием. Однако данный выбор не окончательный. Вышеперечисленные материалы обладают более высокой подвижностью нежели кремний.
За последние годы для Intel было проблематично придерживаться данного закона. Подтверждением этого является тот факт, что выпуск микрочипа с технологическим процессом 14 нм Broadwell откладывался несколько раз, о чем я уже упоминая ранее. На первый взгляд не очень понятно почему разработка и выпуск Broadwell был затянут, так как это по сути второе поколение микрочипов от Intel. Первый экспериментальный транзистор с технологией Tri-Gate был введен еще в 2006 году. Первенцем поколения 22 нм микрочипов с технологией Tri-Gate был Ivy Bridge, выпущенный в массовое производство в конце 2011 года.
Очевидно, что одной из проблем было увеличение числа масок в процессе фотолитографии. Это предположительно связано с проблемами применения 193 нм-ого ультрафиолетового излучения для изображения с глубиной субволны 14 нм. На протяжении многих лет разработки и совершенствования субволновой литографии было найдено множество обходных путей, которые позволили усовершенствовать различные моменты, такие как: коррекция оптической близости, фазовый переход масок, погружение в жидкости с высоким показателем преломления, и многократное воздействие, что послужило причиной увеличения числа масок.
Хотя идея и разработка экстремальной ультрафиолетовой литографии с длинной волны близкой к 13 нм зародилась еще до 2000 года, вскоре она были свернута и возобновлена лишь после появления 100 нм микросхем в первой половине 2000-х годов. На данный момент успех развития данной технологии не ожидается до начала эры 7 нм техпроцесса производства. Одной из основных проблем является поиск источника энергии для луча. Более коротковолновое излучение сильно поглощается всеми веществами. Можно думать только об использовании зеркальной оптики, размещенной в вакууме с отражением на основе межслойной интерференции. Маска (фотошаблон) также выполняется в виде отражающего элемента, а не просвечивающего. При каждом отражении зеркалом и маской поглощается значительная часть энергии луча, около 1/3. При использовании 7 зеркал будет поглощено около 94 % мощности луча, а значит экстремальной ультрафиолетовой литографии (ЭУЛ) требует мощных источников. Но так же проблема есть и в инфраструктуре работы ЭУЛ с разными масками.
Компании не удалось снизить стоимость производства микрочипов с техпроцессом производства 14 нм, но руководство придерживается мысли, что технология в текущем виде приносит больше пользы, нежели попытки ее упрощения. Экспериментальное устройство с техпроцессом в 10 нм обещает быть на 50% быстрее топового Broadwell, и задержек в его производстве не ожидается, что немаловажно.
Применение и введение в массовое производство InGaAs или иных элементов III – IV группы вызывает ряд сложностей. Первая проблема с которой приходится столкнутся это производство техники для создания InGaAs на подложках диаметром 30 см. Изготовление таких подложек имеет огромное значение для массового производства микрочипов, что в свою очередь наталкивает на простой вывод — полностью уйти от использования кремния на данный момент невозможно.
В 2013 году центр нано-электроники Imec, расположенный в Левене (Бельгия), начал эксперименты по созданию техники для производства кремниевых подложек, адаптированных под 7 нм тех. процесс производства, в которых пластины кремния в дальнейшем заменяются на пластины InGaAs. Европейский исследовательский центр также разработал аналогичный процесс замены кремниевых пластин на пластины, состоящие из германия. Другими исследователями разрабатывается иной подход — наращивание пластин из InGaAs на немного меньшем основании из фосфида индия (InP), диаметром 10 см, и дальнейший их перенос на 30 см кремниевые подложки путем прямого соединения. Однако это усложняет процесс, соответственно возрастает и стоимость конечного продукта. Такая политика делает нерентабельным чип для простого обывателя.
Так же при дальнейшем производстве транзисторов InGaAs стоит учитывать такие моменты как контакты истока/оттока. Многие экспериментальные устройства являются слишком большими для техпроцесса в 7 нм и используют некоторые материалы несовместимые с кремниевой средой.
Повышение колебания и транспроводимости
Исследователи из США и Южной Кореи озвучили рекордное сочетание допорогового колебания — 82 мВ/декаду, 0.5 В смещение оттока, транспроводимости — 1800 мкС/мкм, и на токе — 0.41 мA/мкм для КМОП-транзистор InGaAs. Эпитаксиальные структуры были выращены на полу-изоляционном соединении из индий-фосфида посредствам молекулярной лучевой эпитаксии. Эпитаксия — это контролируемое наращивание одного кристаллического материала на другом. В случаи молекулярной лучевой эпитаксии элементы испаряются при очень высокой температуре (от 400 — 800 о С), а применение сверх вакуума при давлении 10 -6 — 10 -8 Па обеспечивает оседание молекул элементов на поверхности с более низкой температурой.
Многослойная верхушка использовалась для контроля интервала между сторонами дорожек, при сочетании влажного/сухого травления. Создание массива состояло из двух процессов электроннолучевой литографии, для достижения желаемой высоты и ширины ребра затвора. Конечная высота и ширина ребра составляли 20 нм и 30 нм, соответственно.
Ворота длинной 80 нм были установлены в слое диоксида кремния (SiO2). Изоляция состояла из 0.7 нм окиси алюминия (Al2O3) и 2 нм диоксида гафния (HfO2) согласно принципу атомно-слоевого осаждение (АСO).
Изоляция оксидом-иттриума
31 марта 2015 Корейский институт науки и техники продемонстрировал InGaAs транзисторы погружённые в слой иттрий-оксида. Исследователи рассматривают InGaAs как перспективную альтернативу более сложной технологии Tri-Gate. Применение Y2O3 должно позволить уменьшить эквивалентную окисную толщину (ЭОТ), по сравнению с окисью алюминия на основе более высокой диэлектрической константы (16 против 9-12). Интересный факт — у воды диэлектрическая константа равна 80-и. Уменьшение ЭOT позволяет разместить затвор ближе к каналу повышая электростатический контроль.
Канал МОП транзистора был построен путем переноса слоя InGaAs, выращенного на подложке из фосфида индия (InP), на кремниевую подложку с последующим покрытием слоем Y2O3. Поверхность InGaAs подготавливали — удаляли естественный оксид и производили пассивацию раствором состоящим из ацетона, гидроксида-аммония и сульфида-аммония. Очищенная поверхность была покрыта 10 нм Y2O3, нанесенного с помощью электронно-лучевого испарения. Кремниевая подложка была также покрыта 10 нм из Y2O3, после очистки фтористоводородной кислотой.
Соединение вафли было достигнуто ручным давлением в воздухе. Ростовой субстрат InP и защитный слой InGaAs были удалены с помощью хлористоводородной и фосфорной кислоты, методом влажного травления. Для электродов истока и оттока были использованы никель и золото. InP был вытравлен частично в области истока и оттока, его нужно было убрать полностью, но он остается в области канала для уменьшения воздействия на поверхность, которое может повлиять на подвижность.
Заключительное устройство было подвергнуто быстрому тепловому отжигу в 300 о C. Длина затвора и канала (тела) составляла 2 мкм с толщиной 10 нм. Подпороговое колебание было 90мВ/декаду, которое было описано исследователями как “очень низкое” ввиду относительно большого EOT. Эффективная мобильность была повышена в 2.5 раза по сравнению с устройствами на основе кремния, даже без отжига. Отжиг в 300 о C увеличил эффективную подвижность до 2000 см 2 (В·с). По словам исследователей эти первые показатели могут быть улучшены с оптимизацией процесса.
Все вышеперечисленное — это эксперименты, инновации, попытки достичь новых высот. Не будем отрицать, что данный процесс может быть довольно продолжительным и сопряженным с множеством неудач и провалов. Однако, именно так и зарождаются те самые инновации, стающие со временем неотъемлемой частью нашей жизни.
В качестве демонстрации работоспособности концепции автор с командой создали подложки из германия на изоляторе, для создания инвертеров, содержащих сначала планарные транзисторы, а затем и FinFET-транзисторы
Почти 70 лет назад два физика из Телефонной лаборатории Белла – Джон Бардин и Уолтер Брэттейн [John Bardeen and Walter Brattain] – впрессовали два тонких золотых контакта в пластину из германия, и сделали третий контакт снизу пластины. Ток, проходивший через эту конструкцию, можно было использовать для превращения слабого сигнала в сильный. В результате появился первый транзистор – усилитель и переключатель, который, возможно, стал величайшим изобретением 20-го века. Благодаря закону Мура, транзистор развил компьютеры далеко за пределы того, что казалось возможным в 1950-е.
Несмотря на звёздную роль германия в ранней истории транзисторов, его вскоре заменили кремнием. Но сейчас, что удивительно, этот материал готов вернуться. Лидеры в производстве чипов раздумывают над заменой компонентов в самом сердце транзистора – токопроводящем канале. Идея в том, чтобы заменить кремний материалом, способным лучше проводить ток. Создание транзисторов с такими каналами может помочь инженерам продолжать улучшать показатели контуров по скорости и энергоэффективности, что будет означать появление улучшенных компьютеров, смартфонов, и множества других гаджетов в последующие годы.
Долгое время интерес к альтернативным каналам вращался вокруг соединений A III B V , таких, как арсенид галлия, состоящих из атомов, находящихся слева и справа от кремния в таблице Менделеева. И я участвовал в том исследовании. Восемь лет назад я написал статью для этого журнала, обозначив прогресс, сделанный в построении транзисторов на таких соединениях.
Два транзистора в инвертере на основе FinFET содержат плавниковые каналы, выделяющиеся из плоскости подложки (вверху – розовые каналы, внизу – скошенный вид на ещё один набор). Расстояния между «плавниками» вверху – десятки нанометров.
Но в результате мы обнаружили, что у подхода с A III B V существуют фундаментальные физические ограничения. А также он, скорее всего, был бы слишком дорогим и сложным для интеграции с существующей кремниевой технологией. Так что несколько лет назад моя команда в Университете Пердью начала эксперименты с другим устройством: с транзистором, канал которого выполнен из германия. С тех пор мы продемонстрировали первые контуры КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) [CMOS, complementary metal-oxide-semiconductor]. Примерно та же логика, что находится внутри современных компьютеров, только изготовленная из германия, выращенного на обычных кремниевых подложках. Мы также создали ряд различных транзисторных архитектур из этого материала. В них входят устройства из нанопроволоки, которые могут стать следующим шагом производства, когда сегодняшние лучшие транзисторы, FinFET, уже нельзя будет дальше уменьшать.
И что ещё интереснее, оказывается, что возвращать германий в работу не так сложно, как это кажется. Транзисторы, использующие комбинацию кремния и германия в канале, уже можно найти в новых чипах, и они впервые появились в 2015 году, в демонстрации будущих технологий изготовления чипов от IBM. Эти разработки могут стать первым шагом индустрии, стремящейся внедрять всё большие доли германия в каналы. Через несколько лет мы можем столкнуться с тем, что материал, подаривший нам транзисторы, помог перенести их в следующую эпоху выдающегося быстродействия.
Германий впервые изолировал и открыл немецкий химик Клеменс Уинклер в конце XIX века. Материал был назван в честь родины учёного, и всегда считался плохо проводящим ток. Это изменилось во время Второй Мировой войны, когда были открыты полупроводниковые свойства германия – то есть, возможность переключения между проведением и блокированием тока. В послевоенные годы быстро развивались полупроводниковые устройства на германии. В США производство, отвечая на запросы рынка, возросло от нескольких сотен фунтов в 1946 до 45 тонн к 1960-му году. Но кремний выиграл; он стал популярным материалом для микросхем логики и памяти.
И для доминирования кремния есть веские причины. Во-первых, его больше, и он дешевле. У кремния более широкая запрещённая зона, энергетический барьер, который нужно преодолеть для создания проводимости. Чем больше эта зона, тем сложнее току просочиться через устройство в ненужный момент и зря потратить энергию. В качестве бонуса у кремния и теплопроводность была лучше, что позволяло легче отводить тепло, чтобы контуры не перегревались.
Учитывая все преимущества, естественно заинтересоваться – зачем бы нам вообще раздумывать над возвращением германия в канал. Ответ – мобильность. Электроны в германии при комнатной температуре двигаются почти в три раза охотнее, чем в кремнии. А дырки – отсутствие электрона в материале, рассматриваемое, как положительный заряд – двигаются почти в четыре раза охотнее.
Девятиступенчатый кольцевой КМОП-осциллятор, представленный в 2015 году
То, что в германии электроны и дырки такие мобильные, делает его удобным кандидатом для КМОП-контуров. КМОП сочетает два разных типа транзисторов: p-канальные FET (pFET), канал которых содержит избыток свободных дырок, и n-канальные FET (nFET), у которых есть избыток электронов. Чем быстрее они двигаются, тем быстрее работают контуры. А уменьшение напряжения, требуемого для их передвижения, означает и уменьшение энергопотребления.
Конечно, германий – не единственный материал с такой мобильностью частиц. Упомянутые ранее составы A III B V , материалы, такие, как арсенид индия и арсенид галлия, также могут похвастаться высокой подвижностью электронов. Электроны в арсениде индия почти в 30 раз подвижнее, чем в кремнии. Но проблема в том, что это свойство не распространяется на дырки – они не сильно подвижнее тех, что есть в кремнии. И это ограничение приводит к невозможности создания высокоскоростных pFET, а отсутствие скоростных pFET сводит на нет получение быстрых КМОП-контуров, поскольку они не могут работать с очень большой разницей в скоростях работы nFETs и pFETs.
Один из вариантов решения – взять от каждого материала лучшее. Исследователи во многих лабораториях, например, Европейской организации по исследованию полупроводников Imec и Цюрихской лаборатории IBM, показали способы создания контуров, у которых каналы nFET сделаны из составов A III B V , а pFET – из германия. И хотя эта технология может позволить создавать очень быстрые контуры, она сильно усложняет производство.
Поэтому нам больше нравится простой подход с германием. Германиевые каналы должны увеличить быстродействие, а проблемы производства будут не такими серьёзными.
Как дела у германия
Свойство | Кремний (Si) | Германий (Ge) | Арсенид галлия (GaAs) | Арсенид индия (InAs) | Единицы |
Запрещённая зона | 1.12 | 0.66 | 1.42 | 0.35 | eV |
Подвижность электронов при 300 К | 1,350 | 3,900 | 8,500 | 40,000 | cm 2 /(V·s) |
Подвижность дырок при 300 K | 450 | 1,900 | 400 | 500 | cm 2 /(V·s) |
Максимальная возможная скорость электронов | 1 | 0.6 | 2 | 3.5 | x10 7 cm/s |
Критическое электрическое поле | 0.25 | 0.1 | 0.004 | 0.002 | x10 6 V/cm |
Теплопроводность | 1.5 | 0.58 | 0.5 | 0.27 | W/(cm·K) |
Чтобы германий – или любой альтернативный материал – попал в производство, необходимо найти способ добавления его на кремниевые подложки, используемые в настоящее время для изготовления чипов. К счастью, существует множество способов нанести на кремниевую подложку германиевый слой, из которого потом можно сделать каналы. Использование тонкого слоя устраняет две ключевые проблемы германия – высокая по сравнению с кремнием стоимость, и относительно плохая теплопроводность.
Но чтобы заменить кремний в транзисторе, недостаточно просто впихнуть тонкий и высококачественный слой из германия. Канал должен безупречно работать с другими компонентами транзистора.
В вездесущих современных КМОП-чипах используются транзисторы на основе МОП (металл-оксид-полупроводник – МОП-транзистор; metal-oxide-semiconductor field effect transistor — MOSFET). У него есть четыре базовых части. Исток и сток – исходная и конечная точка перемещения тока; канал, соединяющий их; затвор, служащий клапаном, контролирующим наличие тока в канале.
В реальности в качественном транзисторе присутствуют и другие ингредиенты. Один из самых важных – изолятор затвора, предотвращающий короткое замыкание затвора и канала. Атомы в полупроводниках, таких, как кремний, германий и составы A III B V , расположены в трёх измерениях. Идеально плоскую поверхность изготовить нельзя, поэтому у атомов, находящихся вверху канала, будет несколько выпирающих связей. Вам необходимо изолятор, связывающий как можно больше этих связей, и этот процесс называется пассивацией, или поверхностной протравкой. В случае некачественного изготовления можно получить канал с «электрическими выбоинами», полный таких мест, где переносчики заряда могут временно задерживаться, что понижает их подвижность и, в результате, скорость работы устройства.
Слева: nFET из составов A III B V , и pFET из германия, кусочки обеих материалов выращены на кремниевой подложке с изоляцией.
Справа: оба транзистора выполнены из германия, связанного с подложкой.
К счастью, природа снабдила кремний естественным изолятором, хорошо совпадающим с его кристаллической структурой: диоксидом кремния (SiO2). И хотя в современных транзисторах встречаются более экзотические изоляторы, в них всё равно есть тонкий слой этого оксида, служащий для пассивации кремниевого канала. Поскольку кремний и SiO2 близки по структуре, хорошо изготовленный слой SiO2 связывает 99 999 из 100 000 свободных связей – а на квадратном сантиметре кремния их содержится примерно столько.
Арсенид галлия и другие составы A III B V не обладают естественным оксидами, а у германия он есть – поэтому, в теории, у него должен быть идеальный материал для пассивации канала. Проблема в том, что диоксид германия (GeO2) слабее, чем SiO2, и может поглощаться и растворяться водой, используемой для очистки подложек во время изготовления чипов. Что ещё хуже, процесс роста GeO2 сложно контролировать. Для идеального устройства требуется слой GeO2 в 1-2 нм толщиной, но в реальности сложнее сделать слой тоньше 20 нм.
Исследователи изучали разные альтернативы. Профессор из Стэнфорда, Кришна Сарасват [Krishna Saraswat], и его коллеги, подстегнувшие интерес к использованию германия в качестве альтернативного материала ещё в 2000-х, сначала изучали диоксид циркония, материал с высокой диэлектрической проницаемостью того типа, что используется сегодня в высокоскоростных транзисторах. На основе их работы группа из Imec в Бельгии изучили, что можно сделать со сверхтонким слоем кремния для улучшения интерфейса между германием и подобными материалами.
Но пассивация германия была серьёзно усовершенствована в 2011 году, когда команда профессора Шиничи Такаги [Shinichi Takagi] из Токийского университета продемонстрировала способ контроля роста германиевого изолятора. Сначала исследователи вырастили нанометровый слой ещё одного изолятора, оксида алюминия, на германиевом канале. После этого их разместили в кислородной камере. Часть кислорода прошла через слой оксида алюминия к находящемуся внизу германию, и смешалась с ним, сформировав тонкий слой оксида (соединение германия с кислородом, но технически не GeO2). Оксид алюминия не только помогает контролировать рост, но и служит защитным покрытием для менее стабильного слоя.
Нанопроводные каналы
Несколько лет назад, вдохновившись этим открытием и учитывая сложности создания pFET с каналами из A III B V , моя группа в Пердью начала исследовать способы создания транзисторов на германиевых каналах. Мы начали с использования подложек с германием на изоляторе, разработанных французским производителем Soitec. Это стандартные кремниевые подложки с изолирующим слоем, находящимся под 100 нм слоем германия.
С этими подложками можно создавать транзисторы, у которых все стандартные части – исток, канал и сток – сделаны из германия. Производителю транзисторов не обязательно следовать такой конструкции, но нам так было проще изучать основные свойства германиевых устройств.
Одним из первых препятствий стала борьба с сопротивлением между истоком и стоком транзистора и металлическими электродами, соединяющими их с внешним миром. Сопротивление возникает из-за естественного электронного барьера Шоттки, появляющегося в месте контакта металла и полупроводника. Кремниевые транзисторы без устали оптимизировали для минимизации этого барьера, так, чтобы переносчикам заряда было легко его преодолевать. Но в германиевом устройстве требуются хитрые инженерные решения. Благодаря нюансам электронной структуры дырки легко перемещаются из металла в германий, а вот электроны – не очень. Это значит, что у nFET, полагающихся на передвижения электронов, будет очень большое сопротивление, потери тепла и тока.
Стандартный способ сделать барьер тоньше – добавить больше легирующей примеси к истоку и стоку. Физика процесса сложна, но представить её можно так: больше атомов примеси привносят больше свободных зарядов. При изобилии свободных переносчиков заряда электрическое взаимодействие между металлическими электродами и полупроводниковыми истоком и стоком усиливается. Это и помогает усиливать туннельный эффект.
К сожалению, с германием такая технология работает хуже, чем с кремнием. Материал не выдерживает больших концентраций легирующих примесей. Но мы можем использовать те места, где плотность примесей максимальна.
Для этого воспользуемся тем, что в современные полупроводники примеси добавляются сверхвысокими электрическими полями, заталкивающими ионы в материал. Некоторые из этих атомов сразу останавливаются, иные же проникают глубже. В результате вы получите нормальное распределение: концентрация атомов примесей на некоторой глубине будет максимальной, а затем при перемещении вглубь или в обратном направлении будет уменьшаться. Если мы заглубим электроды истока и стока в полупроводник, мы можем поместить их в места наивысшей концентрации атомов примеси. Это кардинально уменьшает проблему сопротивления контактов.
Контакты погружаются на глубину максимальной концентрации атомов примесей
Вне зависимости от того, будут ли производители чипов использовать такой подход для уменьшения барьера Шоттки в германии, это полезная демонстрация его возможностей. В начале нашего исследования лучшее, что показывали германиевые nFET, это токи в 100 мкА на каждый мкм ширины. В 2014 году на симпозиуме VLSI Technology and Circuits на Гавайях мы сообщили о германиевых nFET, способных пропускать уже в 10 раз больше тока, что примерно сравнимо с кремнием. Через шесть месяцев мы продемонстрировали первые контуры, содержащие германиевые nFET и pFET, необходимое предварительное условие для изготовления современных логических микросхем.
С тех пор мы использовали германий для постройки более продвинутых транзисторов, таких, как FinFET – современный уровень техники. Мы даже делали нанопроводные транзисторы на германии, которые в ближайшие годы могут заменить FinFET.
Эти разработки потребуются для того, чтобы германий стали использовать в массовом производстве, поскольку с их помощью можно лучше контролировать канал транзистора. Благодаря небольшой запрещённой зоне германия, такой транзистор требует всего четверти энергии, необходимой для переключения в проводящее состояние кремниевого транзистора. Это открывает возможности для низкоэнергетической работы, но это же делает более вероятной и утечку тока в то время, когда он этого делать не должен. Устройство с лучшим контролем над каналом позволит изготовителям использовать малую запрещённую зону без компромиссов с быстродействием.
Мы взяли хороший старт, но у нас ещё есть работа. Например, необходимы дополнительные эксперименты с подложками, которые должны показать транзисторы с высококачественными германиевыми каналами. Также необходимо внести улучшения в дизайн для ускорения.
Конечно, германий – не единственный вариант для транзисторов будущего. Исследователи продолжают изучать составы A III B V , которые можно использовать как вместе с германием, так и обособленно. Количество возможных улучшений транзисторов огромно. В этот список входят транзисторы на углеродных нанотрубках, вертикально ориентированные переключатели, трёхмерные контуры, каналы из смеси германия и олова, транзисторы, основанные на принципе квантового туннелирования.
В ближайшие годы, возможно, мы адаптируем какие-то из перечисленных технологий. Но добавление германия – даже в смеси с кремнием – это решение, которое позволит производителям продолжать улучшение транзисторов уже в ближайшем будущем. Германий, изначальный материал эры полупроводников, может стать панацеей её следующего десятилетия.
The Dim Horseman, или «тусклый» кремний
Поскольку сокращение размеров процессоров — самый маловероятный вариант дальнейшего развития «темного» кремния, то встает вопрос о том, как правильно использовать долю чипов с незадействованными в работе транзисторами? По большому счету, есть два основных решения данной задачи: использовать логику общего или специального назначения. Майкл Тейлор в своей работе делает выбор в пользу логики общего назначения, работающей на низких частотах, либо очень редко использующейся, дабы уложиться в пакет TDP. Такая логика получила название «тусклый» кремний. Сама идея «тусклого» кремния предусматривает увеличение кэш-памяти, использование процессоров с технологией NTV (Near-Threshold Voltage), реконфигурируемых массивов Coarse-Grained Reconfigurable Arrays, а также функций Computational Sprinting и Turbo Boost. Расскажем о них по порядку.
Увеличение объема кэш-памяти зачастую предлагается как основной способ использования «темного» кремния. Больший кэш дает преимущества как в плане производительности, так и в плане экономичности. Особенно это касается приложений с частыми промахами кэш-памяти: обращение к внешней памяти крайне энергозатратно. Однако, по прогнозам, в ближайшем будущем свое развитие получат энергоэффективные внечиповые интерфейсы и 3D-интегрированная память, и преимущество кэш-памяти большого объема значительно сократится.
Основной альтернативой увеличению кэша является использование процессоров с технологией NTV. Это означает, что процессорная логика работает с «напряжением, близким к порогу срабатывания». Для реализации технологии в последнее время ученые сделали ставку на SIMD-процессоры, поскольку их параллелизм наиболее удачно подходит для NTV. Недостаток технологии заключается в том, что при снижении производительности в 8 раз энергопотребление падает в 5 раз. Однако при идеальном распараллеливании работы на в 40 раз большей площади с применением NTV можно достичь в 5 раз большей производительности при сохранении прежнего уровня энергопотребления. Говоря о слабых сторонах NTV, стоит отметить сложность данной технологии. Из-за низкого напряжения разброс частот транзисторов значительно увеличивается, что создает трудности при использовании SIMD-процессоров, использующих синхронизированные параллельные блоки. Кроме этого, существуют сложности в создании SRAM-памяти, работающей на низком напряжении. Не стоит забывать и о повышенном энергопотреблении, вызванном длинными соединениями между большим количеством параллельно работающих процессоров.
Технология NTV — одна из основных идей «темного» кремния
Еще одним вариантом использования темного кремния являются так называемые «крупнозернистые» реконфигурируемые массивы (Coarse-Grained Reconfigurable Arrays). Их исследования начались задолго до исследования «темного» кремния и продолжаются сейчас. Смысл CGRA-массивов заключается в конфигурируемом размещении логических блоков в таком же порядке, как проходят вычисления. Интересно, что CGRA-массивы работают далеко не всё время — это как раз соответствует основной идее «темного» кремния.
Что касается технологий Computational Sprinting и Turbo Boost, то их идея — в коротком повышении рабочей частоты процессора, причем энергопотребление не выходит за установленные рамки TDP и температуры. В качестве примера можно привести всем известную технологию Intel Turbo Boost. Главное отличие Computational Sprinting от Turbo Boost состоит в том, что первая увеличивает рабочую частоту в несколько раз, но лишь на доли секунд.
Технологии Turbo Boost и Computational Sprinting уже нашли свое применение в современных процессорах
Углеродные нанотрубки
Углеродные нанотрубки представляют собой цилиндры, стенки которых состоят из одноатомного слоя углерода. Радиус атомов углерода меньше, чем у кремния, поэтому транзисторы на базе нанотрубок имеют большую подвижность электронов и плотность тока. В результате возрастает скорость работы транзистора и снижается его энергопотребление. По словам инженеров из Висконсинского университета в Мадисоне, производительность возрастает в пять раз.
Факт, что углеродные нанотрубки имеют лучшие характеристики, чем кремний известен давно — первые такие транзисторы появились более 20 лет назад. Но лишь недавно ученым удалось обойти ряд технологических ограничений, чтобы создать достаточно эффективное устройство. Три года назад физики из уже упомянутого университета в Висконсине представили прототип транзистора на базе нанотрубок, который обошел по характеристикам современные кремниевые устройства.
Одним из применений устройств на базе углеродных нанотрубок называют гибкую электронику. Но пока что технология не вышла за пределы лаборатории и о её массовом внедрении речи не идет.
Графеновые наноленты
Они представляют собой узкие полоски графена шириной в несколько десятков нанометров и считаются одним из основных материалов для создания транзисторов будущего. Главное свойство графеновой ленты — возможность ускорить протекающий по ней ток с помощью магнитного поля. При этом графен обладает в 250 раз большей электропроводимостью, чем кремний.
По некоторым данным, процессоры на основе графеновых транзисторов смогут работать на частотах близких к терагерцу. В то время как частота работы современных чипов установилась в пределах 4–5 гигагерц.
Первые прототипы графеновых транзисторов появились десять лет назад. С тех пор инженеры пытаются оптимизировать процессы «сборки» устройств на их основе. Совсем недавно были получены первые результаты — команда разработчиков из Кембриджского университета в марте объявила о запуске в производство первых графеновых микросхем. Инженеры говорят, что новое устройство способно ускорить работу электронных девайсов в десять раз.
Диоксид и селенид гафния
Диоксид гафния применяется в производстве микросхем еще с 2007 года. Из него делают изолирующий слой на транзисторном затворе. Но сегодня инженеры предлагают оптимизировать с его помощью работу кремниевых транзисторов.
/ фото Fritzchens Fritz PD
В начале прошлого года ученые из Стэнфорда обнаружили, что если особым образом реорганизовать кристаллическую структуру диоксида гафния, то его электрическая постоянная (отвечает за способность среды пропускать электрическое поле) возрастет более, чем в четыре раза. Если использовать такой материал при создании транзисторных затворов, можно значительно снизить влияние туннельного эффекта.
Также американские ученые нашли способ уменьшить размеры современных транзисторов с помощью селенидов гафния и циркония. Их можно использовать в качестве эффективного изолятора для транзисторов вместо оксида кремния. Селениды имеют значительно меньшую толщину (в три атома), сохраняя хорошую ширину запрещенной зоны. Это — показатель, определяющий энергопотребление транзистора. Инженерам уже удалось создать несколько работающих прототипов устройств на основе селенидов гафния и циркония.
Сейчас инженерам необходимо решить проблему с соединением таких транзисторов — разработать для них соответствующие контакты небольших размеров. Только после этого можно будет говорить о массовом производстве.
Производство графена
С 2004 года было освоено несколько методов производства графена, однако основными из них считаются следующие три:
- Механическая эксфолиация (Mechanical Exfoliation);
- Эпитаксиальный рост в вакууме (Vacuum Epitaxial Growth);
- CVD-процесс (Chemical Vapor Deposition, или химическое парофазное осаждение).
Механическая эксфолиация — это самый простой метод получения графенового слоя. Он предусматривает использование специального высокоориентированного пиролитического графита (HOPG, Highly Oriented Pyrolytic Graphite), который располагается на клейкой поверхности изоляционной ленты. Затем ленту начинают сгибать и разгибать, как лист бумаги. Тем самым графен «отпечатывается» на противоположной стороне листа, то есть получается все больше и больше тонких слоев материала. Процесс продолжается до тех пор, пока не остается один или несколько слоев графена.
Схема механической эксфолиации
Схема механической эксфолиации: слои графена (Graphene Flakes), сгибание (Folding Process) и разгибание (Unfolding Process) изоляционной ленты
Интересно, что по своему качеству полученный графен является лучшим в сравнении с другими методами. Тем не менее, несмотря на свою простоту, в результате механической эксфолиации получается малое количество материала, что делает процесс непригодным для массового производства.
В методе эпитаксиального роста используется тонкая кремниевая пластина, на которой размещается карбид кремния. С применением высоких температур вплоть до 1000 К атомы кремния и углерода отделяются друг от друга. Затем под воздействием тепла атомы кремния испаряются, и на подложке остаются лишь атомы углерода, которые образуют графен.
Недостатком эпитаксиального роста является то, что во время процесса, как правило, из-за высокой температуры некоторое количество углерода просто сгорает. Из-за этого данный метод считается не очень надежным.
Эпитаксиальный рост графена на рутении
О CVD-процессе мы уже упоминали в первой части нашего материала, когда шла речь о производстве наноэлектромеханических переключателей. Прежде всего, стоит отметить, что из всех вышеперечисленных методов CVD-процесс является наиболее приспособленным для массового производства благодаря своей простоте и невысокой стоимости. При этом он позволяет производить монослойный графен больших размеров. В CVD-процессе протекают химические реакции между углеводородными газами (например, H2 и CH4) и металлическим покрытием-катализатором под воздействием высоких температур.
Металлы способствуют разрушению химических связей в углероде и упорядочивают его атомы в гексагональную решетку. Таким образом получается графен. Заметим, что чем больше по площади металлическое покрытие, тем больше будет получено графена. Интересно, что с этого покрытия легко переносить графен на другие подложки.
Единственным, но существенным недостатком CVD-процесса является пониженная эффективность графена в сравнении с графеном, произведенным с помощью эпитаксиального роста.
Графен
С течением времени список материалов, способных заменить кремний, расширяется. Но как бы то ни было, самым перспективным из них является графен. Интересно, что графен считается достаточно «молодым» материалом: способ его получения был открыт не так давно — всего 9 лет назад. За открытием стояли британские ученые российского происхождения: Андрей Гейм и Константин Новосёлов. К слову, за свое достижение Гейм и Новосёлов в 2010 году получили Нобелевскую премию, а королева Великобритании присвоила им рыцарские звания.
Андрей Гейм и Константин Новосёлов
Что это за материал? Он состоит из одного слоя атомов углерода и может быть получен из графита — точно такого же графита, который используется в простых карандашах. Его основными преимуществами считаются такие характеристики, как прочность, теплопроводность и гибкость. Графен более прочный материал, нежели алмаз. К тому же он имеет лучшую теплопроводность, чем медь. По этому параметру его также сравнивают с кремнием, однако в отличие от четырнадцатого элемента периодической таблицы элементов Д. И. Менделеева электропроводность графена намного более эффективная. Вдобавок ко всему, он более гибкий, нежели кремний, и даже более гибкий, чем резина. Благодаря своей однослойной структуре его можно легко растягивать и изгибать. К его преимуществам стоит отнести и то, что материал хорошо противостоит различного рода разрушениям под воздействием внешних процессов.
Так выглядит структура графена
Такие выдающиеся характеристики и обусловили то, что графен имеет огромный потенциал в использовании в различных устройствах. Он электрически совместим со многими другими материалами, в том числе и с кремнием. Это делает возможным его использование в гибридных устройствах.
Пока что одним из недостатков графена является его стоимость. Некоторые американские компании продают его по цене 60 долларов за квадратный дюйм. По мнению разработчиков, для налаживания массового производства стоимость графена для транзисторов не должна превышать отметки 1 доллар за квадратный дюйм, а для тачскрин-дисплеев — и вовсе 10 центов.
Потенциальная область применения графена огромна. Материал можно применять в производстве аккумуляторов, дисплеев, батарей, наушников и других устройств. Интересно, что сфера применения графена отнюдь не ограничивается электроникой. С его помощью можно будет получить новые, более прочные и легкие материалы для техники (например, автомобилей и самолетов). Также его будут использовать в биомедицине. Однако в свете нашего материала самым важным является то, что графеновые транзисторы могут стать заменой кремниевым.
Почему же именно «могут»? Дело в том, что благодаря химической структуре графена, электроны «пробегают» по его атомной решетке быстро и почти без какого-либо сопротивления. Теоретически это обеспечит стабильную работу транзисторов на очень высоких частотах и быстрый обмен данными между чипами. Однако в то же время это является ахиллесовой пятой графена. Из-за своих свойств материал в его изначальном состоянии возможно использовать исключительно в качестве проводника и изолятора, но для возможности применения графена в транзисторах и электронике в целом необходимо его функционирование как полупроводника. К настоящему времени проблема полупроводниковых свойств графена решена лишь частично.
Стена использования
Итак, первое, с чего мы начнем, это так называемая стена использования (Utilization Wall). Ученые объясняют, что она появилась из-за нарушения закона масштабирования Деннарда, о котором шла речь выше. Стена использования представляет собой ограничение, которое предусматривает следующую закономерность: при каждом переходе на более тонкие технологические нормы доля процессора с работающими транзисторами убывает экспоненциально при условии соответствия все тем же рамкам энергопотребления. Другими словами, с каждым новым поколением процессоров «темного» кремния в них становится всё больше, при этом кристаллы потребляют столько же энергии.
Стена использования — причина увеличения доли темного кремния
Вообще, фундаментальной в области исследования «темного» кремния является работа Майкла Тейлора о «четырех всадниках апокалипсиса “темного” кремния». В ней выделяются четыре основных принципа развития темного кремния:
- Shrinking Horseman, или сокращение размеров чипов;
- Dim Horseman, или «тусклый» кремний;
- Specialized Horseman, или специализация;
- Deus Ex Machina Horseman, или технологический прогресс.
Как сделать графен полупроводником
Перед тем как использовать графеновые транзисторы в процессорах и микросхемах в качестве замены кремниевым, необходимо «научить» графен работать как полупроводник. В этом направлении сейчас ведутся основные разработки. О самых интересных из них и пойдет речь.
Прежде всего, разберемся, благодаря чему материалы могут вести себя как полупроводники. Любой полупроводник характеризуется своим ключевым свойством, которое называется шириной запрещенной зоны (bandgap). Ширина запрещенной зоны измеряется в электронвольтах и представляет собой количество энергии, при достижении которого материал начинает вести себя как проводник. До этой отметки материал выступает в роли изолятора.
Проблема графена заключается в том, что ширина запрещенной зоны у него вовсе отсутствует, и он всегда ведет себя как идеальный проводник. Поэтому в своем изначальном состоянии графен не приспособлен к использованию в транзисторах, где необходимы его полупроводниковые свойства.
В 2011 году компания IBM уже демонстрировала в работе опытный образец самого быстрого графенового транзистора, функционирующего на частоте 155 ГГц. Транзистор был разработан совместно с оборонным агентством DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), которое очень заинтересовалось исследованиями в этой области.
Структура графенового транзистора IBM
Решение IBM было изготовлено на улучшенной подложке с применением алмазоподобного углерода. Интересно, что транзистор продемонстрировал стабильную работу при экстремально низкой температуре -268 градусов Цельсия. Исследователи назвали ее «температурой гелия». Примечательно и то, что размер транзистора составлял всего 40 нм! По словам представителей IBM, их решение было изготовлено с помощью стандартных производственных технологий.
В том же 2011 году ученые из Колумбийского университета в Нью-Йорке также сумели наделить графен полупроводниковыми свойствами. В ходе получения графена посредством CVD-процесса в смесь метана и водорода был добавлен аммиак. Образованный графен имел в своей кристаллической решетке инородные атомы азота. Их электроны образовали три электронных облака с тремя соседними атомами углерода.
Изображение атома азота в структуре графена
При наблюдении под туннельным микроскопом было обнаружено, что атомы азота действительно вытеснили из решетки некоторые атомы углерода и встали на их место. В сравнении с атомом углерода, атом азота имеет еще один валентный электрон, что позволило графену стать полупроводником.
Текущий 2013 год оказался богат на успешные исследования в области полупроводниковых свойств графена. В мае группа физиков из Массачусетского технологического университета провела эксперимент, в ходе которого расположили графен на нитриде бора.
Структура графена на нитриде бора
В результате ученые получили гибридный материал с достаточной шириной запрещенной зоны для использования в транзисторах. Этого удалось достичь, совместив лучшие свойства обоих материалов: электропроводность графена и изоляционные качества нитрида бора. Для идеальной работы гибридного материала ученым пришлось выравнивать кристаллические решетки как графена, так и нитрида бора, которые представляют собой ряд связанных шестиугольников.
В процессе соединения этих веществ могут возникать определенные трудности. Связаны они с загрязнением получаемого материала, которое сводило на нет все его преимущества. Решением проблемы стало подсоединение нитрида бора к графену не сверху, а сбоку.
Удивительнее всего то, что свойствами результирующего гибридного материала можно управлять, изменяя углы пересечения кристаллических решеток нитрида бора и графена. Это позволит создавать материалы с различными электрическими характеристиками. Тем не менее, на данном этапе ширина запрещенной зоны недостаточна для использования вещества в массовом производстве электроники, за исключением оптоэлектронной сферы (например, таких приборов, как фотодетекторы).
Несколькими месяцами позднее ученые из университета Калифорнии представили дизайн полностью графенового электронного чипа. Его отличительная особенность заключается в том, что все его составляющие, в том числе и транзисторы, «бесшовно» расположены на графене. Другими словами, чип был как будто «выточен» из графена.
/ фото Laura Ockel Unsplash
Закон Мура, закономерность Деннарда и правило Куми теряют актуальность. Одна из причин — кремниевые транзисторы приближаются к своему технологическому пределу. Эту тему мы подробно разбирали в предыдущем посте. Сегодня говорим о материалах, которые в перспективе могут заменить кремний и продлить действие трех законов, а значит — повысить эффективность процессоров и использующих их вычислительных систем (в том числе серверов в дата-центрах).
The Specialized Horseman, или специализация
Подход к развитию «темного» кремния, называемый специализацией, по своей идее схож с «тусклым» кремнием. Однако в случае со специализацией площадь темного кремния заполняется не блоками общего назначения, а специализированной логикой. Такая логика может быть либо намного быстрей, либо значительно энергоэффективней (в 100-1000 раз), чем процессоры общего назначения. Специализированная логика работает только в тех случаях, где она может дать прирост производительности. В остальное время она функционирует на очень малых частотах в целях экономии энергии. По мнению Майкла Тейлора, в ближайшем будущем мы увидим архитектуры, которые по большей части состоят из специальных процессоров, созданных, например, для обработки графики, кодирования видеофайлов или каких-либо других задач схожего плана. Такие системы получили название CoDAs (Coprocessor Dominated Architectures).
У специализации также есть свои недостатки. Прежде всего, это сложность программирования под специальную логику. Также идет сильная дифференциация языков программирования: например, язык CUDA может применяться исключительно на платформе NVIDIA, то есть на схожей платформе AMD он работать не будет. Помимо этого, существует проблема специализации ускорителей. Так, они могут применяться для решения одной задачи, но уже быть неприменимы для решения схожей. В качестве примера можно привести вычисления с двойной точностью, которые некорректно работают на блоках операций с плавающей запятой GPU, поскольку эти блоки оптимизированы для работы с графикой. Наконец, существует проблема портирования программного обеспечения на аппаратную часть, содержащую специальную логику. По этой причине развитие консоли Sony Playstation 3 было таким медленным: разработчики сталкивались с трудностями при портировании игр на платформу и при использовании всех «фишек» процессора Cell.
Мы продолжаем наш рассказ о технологиях будущего. Во второй части мы поговорим о новых материалах, которые, возможно, придут на смену кремнию. В это трудно поверить, но рано или поздно от классической технологии CMOS придется отказаться. Кто же тогда станет преемником и революционером в одном лице? С кандидатами вы сможете познакомиться в этом материале.
В первой части «Пост-кремния» мы поговорили о самой перспективной технологии, способной заменить CMOS, — наноэлектромеханических переключателях. Теперь давайте познакомимся более подробно с альтернативными материалами, на основе которых могут быть созданы инновационные интегральные решения будущего.
Кремний настолько давно применяется в производстве полупроводниковой продукции, что многие даже не предполагают, что вместо него можно использовать какие-либо другие материалы. А ведь это проще, чем создавать принципиально новую архитектуру чипов! В последние годы активно ведутся исследования иных материалов, способных впоследствии прийти на смену кремнию. Основными из них являются графен, германий и молибденит. О них и пойдет речь далее.
The Shrinking Horseman, или сокращение размеров чипов
Многие инженеры отмечают, что производители готовы пойти на сокращение размеров процессоров, чтобы избавиться от «темного» кремния. Майкл Тейлор считает данный подход наименее вероятным. По его мнению, если уменьшение процессоров в размере и будет иметь место, то лишь для малого числа продуктов, которые не смогут эффективно использовать площади «темного» кремния. Сразу заметим, что транзисторы, входящие в часть «темного» кремния, могут быть рабочими, выполняя какие-то специфические функции. Это позволяет добиться более высокой производительности в отдельных случаях. В качестве примера можно привести блоки SIMD SSE на x86 процессорах, а также увеличение кэш-памяти последнего уровня. Так, блоки SIMD SSE не используются при выполнении нерегулярных задач, а кэш-память последнего уровня не дает никакого прироста производительности в потоковых приложениях. Тут же стоит отметить, что блоки SIMD SSE и кэш последнего уровня работают не все время даже в тех приложениях, в которых они обеспечивают прирост производительности, что делает их «дружелюбными к “темному” кремнию».
The Shrinking Horseman предусматривает сокращение размеров чипов
Еще одна причина, по которой производство скорее всего не придет к сокращению размеров чипов, является экономической. Многие считают, что производство более мелких процессоров выгодно с экономической точки зрения. Если брать в расчет исключительно затраты на материалы для меньших чипов — то да, выгода есть. Более того, у таких процессоров меньше токи утечки. Однако в то же время то, что чипы являются экспоненциально меньшими, вовсе не означает, что они экспоненциально дешевле. Если принимать во внимание все аспекты их производства, мы придем к тому, что из-за затрат на разработку, изготовление масок, тестирования, маркетинга и прочих подобных вещей возрастет и стоимость квадратного миллиметра кремния, сделав переход к новому поколению отнюдь не выгодным. К тому же у меньших по размерам процессоров острее стоит вопрос рассеивания тепла. При экспоненциальном сокращении площади процессора его тепловыделение вырастает также экспоненциально. Это приводит к тому, что для сохранения рамок TDP приходится урезать производительность чипа.
Читайте также: