С большой долей вероятности можно сказать, что монополия кремниевых чипов в ближайшее время вряд ли будет оспорена. Будучи вторым по распространенности после кислорода элементом на Земле, сегодня он рассматривается как неотъемлемая составляющая нашей земной цивилизации. Вместе с тем, дальнейшая миниатюризация кремниевых транзисторов, как основы существующих вычислительных устройств, связана с рядом технологических проблем, что заставляет ученых искать альтернативу этому, казалось бы, незаменимому материалу. О том, в каких направлениях ведется поиск и насколько успешны предпринятые шаги мы расскажем в данной статье.

Кремниевая электроника полностью изменила наш мир, определив возможность создания единого информационного пространства. Кварцевый и речной песок, кремний (Si), присутствующий на Земле в колоссальном количестве и относившийся в конце 40-х годов прошлого века к бесполезным и капризным материалам, подарил нам возможность создавать электронные приборы и информационные технологии, превратившись в тот двигатель, без которого наша цивилизация в ее нынешнем виде никогда не смогла бы существовать.

Те революционные изменения, которые были реализованы в сферах информационных и вычислительных систем и произошли буквально в течение жизни одного поколения человечества, стали возможны благодаря непрерывной миниатюризации транзистора — ключевой «рабочей лошадки» твердотельной электроники, пришедшего в свое время на смену электронным вакуумным лампам и механическому релейному переключателю. Именно такие переключатели нашли применение в схеме первого двоичного электромеханического компьютера Z1, созданного в 1938 году Конрадом Цузе.

Попробуем задаться вопросом: до каких пор миниатюризация размеров транзистора, сопровождающееся увеличением производительности процессоров будет технологически и экономически оправдано? Уменьшение размеров транзисторов позволило увеличить их число на одном чипе до 100 000 (технология 1,5 микрона) в 1982 году, до 100 000 000 (технология 90 нм) к 2003 году и почти до 10 000 000 000 в наши дни. Неуклонно росли и величины тактовой частоты процессоров из расчета количества операций в секунду. Только на этапе с 1982-го по 2003 прирост составил: с 10 МГц в 1982 году до 4ГГц в 2003 году, после чего это значение практически не росло. Почему?

Причина кажущегося логического несоответствия кроется в фундаментальном принципе функционирования современных процессоров, предполагающем кодирование двоичных значений бита в виде заряда электронов на пластинах конденсатора (энергетический эквивалент бита при этом равен Е=CV²/2, где С – емкость, а V- напряжение на его пластинах). Т. е. при совершении любых манипуляций с битами вычислительному устройству потребуется энергия, достаточная для того, чтобы отличить значение бита от теплового шума. В то же время во всех существующих сегодня системах обработки информации любые изменения состояния бита сопровождаются “выбросом” некоторого количества тепловой энергии. С увеличением тактовой частоты растет и частота высвобождения порций энергии, при сохранении размеров чипа.

Безусловно, развитие технологий позволяет уменьшить и размеры конденсаторов и полезные напряжения, но этот процесс не в состоянии компенсировать неизбежное увеличение плотности рассеиваемой мощности. Такой, не слишком рациональный подход, оправдывал себя, пока проблема, связанная с теплоотводом не потребовала принятия кардинальных мер.

Для того, чтобы нагляднее представить себе масштабы проблемы, вспомним, что микропроцессор 8086, выпускавшийся в 1978 году по трехмикронной технологии задействовал возможности 29000 транзисторов, и, работая на частоте 4,77МГц, не требовал радиатора, поскольку объем рассеиваемого тепла не превышал 1,5 ватта. Процессор Pentium 4 Prescott, выпущенный в 2004 году по 90 нм техпроцессу, работая на частоте 3ГГц использовал возможности 125 млн. транзисторов и продуцировал уже 100 ватт тепловой энергии. И здесь разработчики вплотную приблизились к тому пределу мощности, который можно отвести используя схему воздушного охлаждения. Именно в этой связи лежащий на наших коленях лэптоп жжет ноги а десктоп становится частью отопительной системы. На уровне современного суперкомпьютера, потребляющего порядка 5 мегаватт мощности (эквивалентно 1000 четырехкомфорочных электрических плит, работающих одновременно на полной мощности) потребуется специальным образом охлаждаемое помещение. А дата-центр Google, который строят в холодной Норвегии, будет потреблять уже 200 мегаватт и охлаждаться водой из ближайшего фьорда.

Иллюстрация прироста плотности мощности, рассеиваемой на чипе, по данным за период с 1970 по 2012 год (University of Notre Dame, USA)

Здесь будет уместно привести цитату International Technology Roadmap for Semiconductors (“Международной дорожной карты для полупроводниковых технологий”): “Power management is now the primary issue across most application segments due to the 2× increase in transistor count per generation while cost-effective heat removal from packaged chips remains almost flat (ITRS 2013)”. Что значит: управление распределением мощности превратилось в проблему для большинства приложений, в связи с тем, что удвоение числа транзисторов не сопровождается эквивалентным увеличением эффективного теплоотведения от чипа, оставаясь практически на том же уровне.

Другими словами, плотность транзисторов на чипе с воздушным охлаждением уже сегодня такова, что их одновременное использование приведет к расплавлению чипа. Это объясняет необходимость использования режимов dark silicon, когда некоторая пространственная область чипа на время пассивно “засыпает” не пропуская через себя ток и не выделяя тепла. Важно также учитывать, что дальнейшая миниатюризация транзисторов до величины менее 10 нм (порядка 20 атомов кремния) усугубляет проблему теплоотведения в связи с проблемами с утечкой, являющейся следствием квантово-механического туннелирования (т. н. “пассивной” утечкой).

Другая проблема – экономическая целесообразность. Единичные транзисторы таких размеров – не проблема изготовить с использованием технологии электронной литографии. Когда же речь заходит о массовом производстве, предполагающем серьезные затраты на каждом этапе технологического цикла без особых перспектив удешевления производственного процесса, то оправданность инвестиций в такое производство попадает под сомнение.

Здесь нужно отметить, что сегодня представлены технологии, открывающие возможность для развития в горизонтальном направлении, без необходимости уменьшения размеров устройств. Такой принцип используется в схемах с многоядерными параллельно работающими процессорами, использующими несколько чипов на одной микросхеме. Еще один пример временного выхода из тупика – активно развиваемая сегодня концепция system on a chip, предполагающая изготовление специализированных процессоров для исполнения специфических задач. Вместе с тем, импровизации с архитектурой в данном случае трудно назвать фундаментальным решением, поскольку альтернатива “кирпичикам” (кремниевым полевым транзисторам) не предполагается.

Есть ли основания говорить о технологическом пределе? Похоже, что да. И это подтверждают активные поиски альтернативных решений.

Один из путей – поиск решения в рамках стандартной двоичной цифровой логики, позволяющих улучшить параметры современных кремниевых полевых транзисторов и максимально уменьшить бесполезную пассивную рассеиваемую мощность, которая выделяется вследствие утечек. Определенные надежды на этом пути связываются с туннельными полевыми транзисторами (TFETs), основанными на принципе квантового механического туннелирования. Альтернативное решение – применение наноэлектромеханических реле, в идеале не имеющих утечек (в своем роде прообраз идеи реле Конрада Цузе, в наноразмерной интерпретации).

Один из рассматриваемых претендентов на роль замены кремнию сегодня рассматривается графен. Свойства полупроводника, необходимые для реализации функции транзистора графен сегодня демонстрирует в виде «наноленточек», к массовому производству не пригодных, поэтому на нынешнем этапе развития технологий в качестве серьезного конкурента кремнию рассматриваться не может.

Не оправдывает возложенных ожиданий пока и т. н. “спинтроника” – принцип, в соответствии с которым в качестве эквивалента бинарной переменной предлагается рассматривать не заряд электрона, а его спин (внутренний магнитный момент). Будучи крайне затратной в реализации, принципиальных преимуществ в сравнении с кремниевыми решениями такая технология на нынешнем этапе ее реализации не демонстрирует.

Конечно, одним из приоритетных и самых перспективных направлений в поиске альтернативы в течение уже 15 лет представляется квантовый компьютер и все, что с ним связано. Практическая реализация такого решения сталкивается сразу с несколькими проблемами. Первая – изготовить процессор с числом кубитов, достаточным для достижения поставленных целей пока проблематично, а перспективы достаточно туманны. С другой стороны, не так просто оказалось определить круг задач, которые квантовые компьютеры смогли бы решить лучше, чем существующие компьютеры. За исключением факторизации чисел и ряда других специфических задач преимущества квантовых компьютеров при решении повседневных задач не видятся очевидными. Вместе с тем, наибольший интерес перспективные квантовые компьютеры представляют при использовании в расчетах квантовых систем.

Рассматриваются ли альтернативные решения? Да, и для этого стоит задаться вопросом: можно ли минимизировать выброс энергии бита, сопровождающийся тепловыделением?

Иллюстрация теоретически достижимых значений мощности рассеяния на чипе в зависимости от тактовой частоты микропроцессора для случаев обычной и реверсивной логики. (University of Notre Dame, USA)

Зависимости, отраженные на графике не являются единственно возможными. Примером может служить т. н. «адиабатическая реверсивная логика» (АРЛ), базирующаяся на принципе Ландауэра, следуя которому превращение энергии битов в тепловую оказывается неизбежным только в случае стирания информации. Соответственно, если стирание заменить процессом рециркуляции, при котором большая часть энергии битов возвращается источнику питания, то значительных потерь, оказывается, можно будет избежать.

Как подтвердили исследования, в режиме АРЛ чип можно заставить работать так, чтобы количество выделяемого тепла оказалось на порядки меньше того, которое выделяется в чипах, работающих на стандартной нереверсивной логике. Разумеется, компенсировать реализуемое преимущество архитектуры в пределах чипа приходится за счет вспомогательных систем, задействованных исключительно под распределение энергетических ресурсов. Роль ключевого элемента такой системы могут исполнить микроэлектромеханические резонаторы, использующихся в качестве локальных «дистрибуторов» энергии, работающих, как на отдачу энергии потребителю (транзисторной схеме), так и на получение энергии от этих устройств в обратном направлении. Эту энергию можно использовать повторно (рециркулировать). Тем самым увеличивается и объем операций, которых устройство сможет выполнить в единицу времени. В качестве примера преимуществ такого решения можно привести смартфон, который достаточно будет зарядить раз в год или прирост вычислительной мощности лэптопа в десятки или даже сотни раз в пределах того же энергетического бюджета.

Вместе с тем, хотя использование АРЛ и представляется достаточно перспективным решением, которое позволяет использовать уже существующие технологии, говорить о фундаментальном прорыве здесь явно преждевременно, поскольку предполагается использование все тех же транзисторов, с присущими им недостатками, которые проявляются с уменьшением их размеров (так, например, АРЛ не демонстрирует преимуществ в решении ключевой проблемы пассивной квантово-механической утечки).

Можно ли обойтись без транзисторов в принципе? Давайте попробуем рассмотреть вариант с использованием концепции т. н. QCA (quantum dot cellular automata = клеточного автомата на квантовых точках).

Клеточным автоматом назвали вычислительное устройство, которое состоит из совокупности однородных “клеток”, очень похожих на кубики детского конструктора “Лего”, из которых возможно собирать достаточно сложные устройства. Каждая такая клетка в каждый фиксированный момент времени находится в одном из двух состояний. А изменения состояния клетки во времени можно логически увязать с ее предыдущим состоянием либо состояниями ближайших к ней соседей (в “окрестностях” клетки). В 1993 году Вольфгангом Породом (Wolfgang Porod) и Крэгом Лентом (Craig Lent) из Университета Нотр-Дам (США) был предложен физический прототип такого автомата, работа которого использовала концепцию электростатических связанных квантовых точек.

Иллюстрация двух состояний клетки QCA и полного двоичного сумматора, собранного из таких клеток. Красные кружочки — квантовые точки, заполненные электронами. Эти электроны способны туннелировать между белыми кружочками — квантовыми точками. Вследствие кулоновского расталкивания электроны располагаются в одном из двух энергетически эквивалентных диагональных состояний, которые кодируют двоичные ноль и единицу. (University of Notre Dame, USA)

Минимальная ячейка («клетка») в QCA-архитектуре составляется из четырех квантовых точек, которые расположены в углах квадрата. В каждой клетке на четыре точки имеются по два электрона. Кулоновское расталкивание определяет их положение во взаимно противоположных углах квадрата, и, как следствие, два “диагональных” местоположения электронов в такой интерпретации будет соответствовать двум состояниям с равной энергией, интерпретируя единицу или ноль бинарного кода.

Как это работает. (University of Notre Dame, USA)

Архитектуры QCA основаны на простых правилах взаимодействия между клетками, локализованных на поверхности чипа, и реализующих одновременно идею клеточного автомата и квантовой механики. Такая архитектура позволяет создавать наноустройства, сочетающие большую вычислительную мощность с крайне низким энергопотреблением. При этом очень важно, что на основе QCA можно создавать не только производительные энергоэффективные процессоры с традиционной детерминистической двоичной логикой, но использовать подобные архитектурные решения и при создании квантовых компьютеров.

Иллюстрация одноэлектронного транзистора с металлическими электродами и оксидными туннельными переходами с площадью порядка 4000 кв. нм. (University of Notre Dame, USA)

В качестве считывающего устройства для клеточного автомата QCA может быть использован т. н. “одноэлектронный” транзистор — наноэлектронный прибор, который позволяет отслеживать момент переключения одного электрона в клетке. Действующий прототип такого устройства в котором использовались металлические “квантовые точки” при низких температурах (~100 мК) впервые был продемонстрирован еще в 1997 году. Роль элемента питания для такого процессора может выполнить многофазный тактовый генератор на чипе, выполненный на основе резонатора и способный, как отдавать, так и поглощать энергию. К слову, одноэлектронная логическая схема (“одноэлектронный параметрон”) с тактовым генератором, которая нашла применение в архитектуре QCA была предложена А. Коротковым и К. Лихаревым.

Один из краеугольных камней состоит в том, что характерный масштаб энергии барьера, разделяющего двоичный 0 и 1 в электронных QCA, зависит от параметра, который, в свою очередь, определяется электрической емкостью системы, C: E=e²/C. Соответственно, для того, чтобы такая QCA-схема смогла работать при комнатной температуре, допустимые размеры клетки не должны превышать 5 нанометров. Вместе с тем, возможность создания и успешного функционирования такой (единичной) клетки при комнатной температуре впервые продемонстрировала в 2009 году группа специалистов под руководством Роберта Уолкоу. К сожалению, на коммерческом уровне полученные решения реализованы так и не были.

Иллюстрация полного двоичного сумматора на наномагнитах размерами 80 х 60 кв. нм. Справа МСМ-изображение, слева — электронная микрофотография. Образованные магнитные полюса отображаются ярким и темным цветами. (University of Notre Dame, USA)

Принципы, лежащие в основе концепции QCA, позволяют создать не только наноэлектронные, но и наномагнитные процессоры, роль кубиков “Лего” в которых исполняют наномагниты с двумя фиксированными направлениями магнетизации и размером менее 100 нм. Логические узлы такого рода устройств, исполненные из пермаллоя, были продемонстрированы еще в 2006 году и смогли успешно совместить в себе функции, как памяти, так и логического устройства.

В перспективе работа подобных клеточных автоматов будет обеспечиваться за счет минимальных мощностей переключения и использования адиабатической реверсивной схемы, что позволит свести к минимуму бесполезное рассеивание энергии. Такие автоматы могут собираться из специфических молекул с элементами однобитовой клетки внутри них. Такие решения позволят достигать рекордной плотности элементов в пределах одного чипа (до 10¹²/см²).

Иллюстрация QCA-клетки, образованной на молекулярном комплексе (University of Notre Dame, USA)

Вместе с тем, несмотря на то, что химические компоненты для моделирования подобных молекул доступны, сами молекулы могут быть созданы и их поведение скрупулезно просчитано, воплотить с их помощью нечто функциональное контролируемым способом пока не сумел никто. Здесь потребуется разработка принципиально новых способов управления процессами сборки функциональных устройств на уровне молекул. И это вопрос пока остается открыт.

Возможно ли реализовать квантовый бит (кубит) — фундаментальную ячейку квантовой вычислительной системы на базе миниатюрного аналога традиционного КМОП-транзистора?

Именно такой вопрос поставила объединенная группа ученых из Кембриджской лаборатории компании Hitachi (Великобритания) и специалистов из Японии, Франции и Украины, занятых в рамках европейского проекта TOLOP (TOwards LOw Power information and communication technologies).

Ученые сумели показать, что транзисторы, изготовленные в соответствии с КМОП-технологией (CMOS) могут быть при этом уменьшены до таких размеров, что смогут справиться с задачами, решаемыми кубитами. Другими словами, они окажутся способны принять одно из двух квантовых состояний или пребывать в состоянии квантовой суперпозиции.

«Мы хотели показать, что та же самая технология, которая используется для наших компьютеров может быть использована для квантовых вычислительных экспериментов» — говорит Фернандо Гонсалес-Залба (Gonzales-Zalba), возглавивший группу ученых и исследовательские работы.

В ходе эксперимента ученым удалось изменить, записать и считать квантовое состояние КМОП-кубита через затвор полевого транзистора.

Для получения «КМПОП-кубита» ученые создали полевые транзисторы, затвор которых формирует вокруг канала два прямых угла и окружает его с трех сторон. Сам канал, располагающийся горизонтально на кремниевом основании представляет собой удлиненный нанопроводник, в центральной части которого расположена структура затвора, исполняющего роль управляющего электрода.

Максимальная величина напряженности электрического поля, концентрирующегося по периферии канала транзистора, регистрируется на гранях проводника. Используя эффект квантового туннелирования при температуре ниже 20К возможно отделить один электрон и переместить его между квантовыми точками. Особенности распределения электронов на противоположных гранях нанопроводника позволят задать нужное квантовое состояние транзистора-кубита. При определенных условиях электроны получают возможность перемещаться в обоих направлениях одновременно, что будет соответствовать состоянию квантовой суперпозиции.

Состояние квантовой суперпозиции транзисторов-кубитов возможно задать путем подачи на затвор электрического импульса с определенными характеристиками. Длительность пребывания кубита в этом состоянии, как продемонстрировали эксперименты, составляет интервал в 100 пикосекунд.

Затвор транзистора-кубита может быть использован и для считывания квантовых состояний в реальном режиме времени. Для этой цели ученые соединили транзистор с колебательным LC-контуром, работающим на частоте 350 мегагерц. В интервалах, когда транзистор пребывал в состоянии суперпозиции или в одном из двух «значимых» состояний, электрическая емкость квантовых точек на гранях нанопроводника незначительно, но изменялась. Это, в свою очередь, приводило к изменению резонансной частоты контура, что возможно измерить традиционными методами.

Эксперимент, проведенный в лаборатории объединенной группой специалистов позволил довести время, в течение которого КМОП-транзистор-кубит способен хранить квантовую информацию до 100 пикосекунд. Вместе с тем, ученые уже в ближайшей перспективе намерены повысить этот показатель до 1 наносекунды — времени, достаточного для выполнения базовых операций, используемых в процессе обработки квантовой информации.

Еще один вопрос, на который сумели ответить специалисты — это возможность обеспечения состояния квантовой запутанности двух и большего числа кубитов между собой. В случае КМОП-транзистора решение оказывается возможным при их размещении на минимальном расстоянии друг от друга или же на одном нанопроводнике, что позволит обеспечить электростатическое сцепление между электронами в соседних транзисторах.

Таким образом, «Если вы произведете операцию с электронами в одном транзисторе, то она неизбежно затронет квантовое состояние второго транзистора, и наоборот» поясняют авторы экспериментальной модели. «Два кубита, взаимодействующие подобным образом, и составляют основу, позволяющую создавать набор элементов, необходимый для построения функционального квантового компьютера».

Подробнее с научной концепцией и результатами эксперимента можно ознакомиться на страницах ACS Nano Letters.

Резюмируя, можно сказать, что специалистам из Кембриджа удалось экспериментально доказать, что квантовые эффекты туннелирования и согласованности в схеме с использованием КМОП-транзистора можно использовать во благо, если попробовать взглянуть на них с точки зрения квантовой вычислительной системы. И если экспериментально полученные результаты удастся закрепить на уровне конечных практических решений, то торжественные проводы кремния и связанных технологий на законно заслуженный отдых, возможно, снова можно будет отложить на неопределенное время.