Кремниевая цифровая электроника, нравится нам это или нет, полностью изменила наш мир, создав единое информационное пространство. Не будем, однако, забывать, что мы читаем этот текст благодаря кварцевому речному песку. Именно благодаря кварцевому песку, окиси кремния, SiO₂, в огромном количестве присутствующему на земле, человечество смогло создать современные электронные приборы, устройства и информационные технологии. Кремний (Si), считавшийся еще в конце 40-х годов прошлого века капризным и бесполезным материалом, оказался тем двигателем, без которого современная земная цивилизация не могла бы существовать. Революционные изменения в области развития информационных и вычислительных систем, произошедшие в течение одного поколения, произошли благодаря непрерывному уменьшению размеров главной «рабочей лошадки» твердотельной электроники — транзистора. Зададимся, однако, вопросом: а сколь долго еще может разыгрываться подобный сценарий?

За счет уменьшения размеров транзистора число транзисторов на чипе увеличилось в 1982 году с 105 до 108, в 2003 году и в настоящее время это число приближается к 1010. За тот же период времени с 1982 по 2003 год тактовые частоты микропроцессоров, определяющие число операций в секунду, стабильно возрастали — с 10 МГц в 1982 году до 4 ГГц в 2003 году. С тех пор это значение не увеличилось. Почему? Причина этого одна и та же — экспоненциальное увеличение рассеиваемой мощности в ограниченном объеме. Именно по этой причине лэптоп обжигает колени, смартфон требует ежедневной подзарядки, а современный суперкомпьютер, потребляя около 5 мегаватт мощности (1000 четырехконфорочных электроплит, одновременно включенных на полную мощность), практически всю ее преобразует в тепло, и для нового поколения суперкомпьютеров может понадобиться отдельная электростанция, сравнимая по мощности с реактором Чернобыльской АЭС.

Плотность мощности на чипе с 1970 по 2012 год

Приведу цитату из International Technology Roadmap for Semiconductors («Международная дорожная карта 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)”. То есть «управление распределением мощности является главной проблемой для большинства приложений, поскольку удвоение числа транзисторов происходит в условиях, когда эффективное удаление тепла от чипа остается практически на прежнем уровне». Иными словами, транзисторов на чипе уже слишком много, чтобы использовать их все одновременно; если попробовать это сделать, то чип расплавится, поскольку возможности теплоудаления с помощью воздушного охлаждения уже исчерпаны. Поэтому используют, например, режимы работы типа dark silicon, когда большая часть чипа «спит» (токи на этой части чипа не текут, и на этой части не выделяется тепло, оттого и dark).

В краткосрочной перспективе можно пытаться решить проблему с помощью более радикальных методов охлаждения, когда вы охлаждаете ваш чип до температуры жидкого азота с помощью устройств, функционально напоминающих кондиционер в автомобиле. Важно понимать, что уменьшение размеров транзисторов до менее 10 нм (о чем, например, подробно рассказывал один из лекторов «ПостНауки» — С. Зайцев-Зотов) лишь обостряет проблемы удаления тепла. Кстати, решение задачи уменьшения размеров транзисторов на каком-то этапе может оказаться невыгодным экономически. Единичные транзисторы с такими размерами довольно нетрудно сделать уже сегодня с помощью электронной литографии. Вопрос в массовом производстве, требующем неимоверных затрат для каждого следующего шага, и если новый шаг не дает удешевления продукта в разумное время, то стоит хорошо подумать, а вкладываться ли. Кроме того, в какой-то момент может тривиально не хватить ресурсов.

Конечно, существующие технологии позволяют вести развитие, так сказать, в горизонтальном направлении. В качестве успешного примера можно привести концепцию system on a chip, находящуюся в стадии производства и активного развития. Это когда вы печете специализированные процессоры, заточенные на выполнение определенных задач. Но фундаментально это игры с архитектурой, а кирпичики (полевые кремниевые транзисторы) все те же.

Надо признать, что ситуация с поиском альтернатив довольно критическая, поскольку фундаментально новых идей пока нет, а со старыми по всем параметрам мы близки к пределам физических возможностей технологий.

Давайте теперь рассмотрим имеющиеся альтернативы кремниевым транзисторным технологиям.

Во-первых, в рамках стандартной бинарной цифровой логики предпринимаются попытки улучшить параметры переключателей, в роли которых выступают современные кремниевые полевые транзисторы. Это делается прежде всего с целью максимального уменьшения пассивной рассеиваемой мощности, то есть той мощности, выделяющейся за счет утечек, поскольку эта совершенно бесполезная часть потребляемой мощности (подобно текущему крану на кухне, который можно закрыть только наполовину) возрастает при уменьшении размеров приборов. Надежды здесь возлагаются на туннельные полевые транзисторы (TFETs), основанные на эффекте квантового механического туннелирования. В том же русле развивается направление исследований, в котором транзисторы пытаются заменить наноэлектромеханическими реле, в идеале не имеющими утечек.

Сегодня очень моден графен, но пока получать полупроводниковые пластины из этого материала еще не научились, а это значит, что ни о каком массовом производстве, сравнимом с кремнием, речи идти не может.

Во-вторых, большие надежды некоторое время возлагались на так называемую спинтронику, в которой в качестве бинарной переменной вместо кулоновского взаимодействия электронов используется их внутренний магнитный момент (спин). Однако пока что оказывается, что принципиально этот подход ничем не лучше кремниевой электроники, а в воплощении несравнимо сложнее.

В-третьих, огромный интерес в течение последних 15 лет остается прикован ко всему, что связано с квантовыми компьютерами. Но здесь возникают две проблемы. Первая заключается в том, что сделать процессор с достаточным для практических целей числом кубитов пока невозможно, даже если иметь неограниченные ресурсы, и перспективы пока довольно неясны. Вторая проблема — это определение круга задач, которые они способны решать лучше существующих компьютеров. Кроме факторизации чисел и нескольких других специальных задач, пока неочевидны их преимущества для решения обычных задач. Разумеется, наибольшие ожидания от квантовых компьютеров находятся в области расчета квантовых систем. Кстати, здесь парадоксальным образом встает вопрос проверки результата, который нельзя получить никаким другим способом.

Однако существуют и другие подходы к созданию вычислительных систем будущего, причем некоторые компоненты этих подходов можно реализовать уже сейчас. Прежде всего следует понять, отчего столь значительны тепловые потери и можно ли от них каким-либо способом избавиться. Дело в том, что для любых манипуляций с битами вычислительному устройству необходимо получать энергию, для того чтобы отличать значения битов от теплового шума. При этом во всех действующих ныне системах обработки информации при любом изменении состояния бита вся его энергия превращается в тепло. Этот крайне расточительный подход тем не менее оправдывал себя, до тех пор пока проблема теплоотвода не встала в полный рост.

Зависимость мощности рассеяния на чипе от тактовой частоты микропроцессора для обычной и реверсивной логики

В то же время подобная схема работы процессоров не является единственно возможной. Существуют методы манипуляции с битами, при которых потери энергии минимальны. Это так называемая адиабатическая реверсивная логика (АРЛ), основанная на так называемом принципе Ландауэра, согласно которому превращение энергии бита в тепло абсолютно неизбежно только при стирании информации. Если же стирание заменить процессом рециркуляции, когда большая часть энергии бита возвращается в источник питания, большинства потерь можно избежать. В режиме АРЛ можно заставить работать чип так, чтобы тепло выделялось в количествах, на много порядков меньших, чем в обычной, нереверсивной, логике. Разумеется, ничто не дается даром, и разработка подобных архитектур потребует увеличения вспомогательных систем на чипе, занятых исключительно распределением энергетических ресурсов, однако уже в настоящее время можно использовать часть транзисторов для решения этих задач. Сердцем этих систем могут стать микроэлектромеханические резонаторы, которые будут играть роль местных дистрибуторов энергии, работающих как на раздачу энергии потребителям (транзисторным схемам), так и на получение энергии от этих устройств обратно в источник питания. Эту энергию можно рециркулировать, то есть использовать повторно, подобно тому как рециркулируется, например, бумага в современных городах, тем самым увеличивая число операций, которое устройство может выполнять при ограниченном энергетическом бюджете, — представьте, что ваш смартфон нужно будет заряжать раз в год или вычислительная мощность вашего лэптопа возрастет в десятки или сотни раз при том же энергетическом бюджете.

Два состояния клетки QCA и полный двоичный сумматор

Гораздо более радикальным представляется полный отказ от транзисторов. Рассмотрим один такой вариант, использующий концепцию так называемого QCA (quantum dot cellular automata = клеточный автомат на квантовых точках). Клеточный автомат — это вычислительная машинка, состоящая из сетки однородных «клеток», подобных детским кубикам «Лего», из которых можно конструировать сложные устройства. Каждая клетка в каждый момент времени может находиться только в одном из конечного числа состояний. Изменение состояния клетки во времени определяется ее предыдущим состоянием и состояниями ближайших соседей («окрестность» клетки). В 1993 году Крэг Лент (Craig Lent) и Вольфганг Пород (Wolfgang Porod) из Университета Нотр-Дам (США) предложили физическую реализацию такого автомата с использованием электростатически связанных квантовых точек. В QCA-архитектуре минимальная ячейка («клетка») состоит из четырех квантовых точек, расположенных в углах квадрата. В каждой клетке находится по два электрона на четыре точки. За счет кулоновского расталкивания они сидят в противоположных углах квадрата, и, соответственно, два «диагональных» расположения электронов соответствуют нулю или единице бинарного кода. QCA сочетает идеи клеточных автоматов и квантовой механики для создания наноустройств, способных выполнять вычисления с очень высокой скоростью переключения и потребляющих при этом крайне малое количество электроэнергии. Архитектуры QCA создаются на основе простых правил взаимодействия между клетками, размещенными на поверхности чипа. Важно отметить, что на основе QCA не только можно создавать процессоры с обычной детерминистической двоичной логикой, но эта архитектура также является идеальным кандидатом и для квантовых компьютеров.

Одноэлектронный транзистор

В качестве считывающих устройств для QCA могут использоваться так называемые одноэлектронные транзисторы — наноэлектронные приборы, позволяющие отследить переключение одного электрона в клетке. Экспериментально такое устройство было впервые продемонстрировано в 1997 году с использованием металлических «квантовых точек» при низких (~100 мК) температурах. При этом роль «батарейки» для таких процессоров играют многофазные тактовые генераторы, расположенные на чипе и построенные на основе резонаторов, способных отдавать и поглощать энергию. В 1996 году одноэлектронная логическая схема с тактовым генератором, нашедшая применение в QCA («одноэлектронный параметрон»), была предложена К. Лихаревым и А. Коротковым. Одной из нерешенных проблем остается та, что характерный масштаб энергий барьеров, отделяющих двоичные 0 и 1 в электронных QCA, зависит от параметра, определяемого электрической емкостью системы, C: E=e2/C. Поэтому, чтобы такое QCA-устройство работало при комнатной температуре, размер клетки должен быть меньше 5 нанометров. Функционирование подобной (единичной) клетки при комнатной температуре было впервые продемонстрировано в 2009 году группой Роберта Уолкоу, но до сколько-нибудь массового производства еще весьма далеко.

Полный двоичный сумматор, выполненный из наномагнитов размерами 80 х 60 нм. Слева электронная микрофотография, справа МСМ-изображение. Магнитные полюса отображены ярким и темным цветами.

Более того, используя концепцию QCA, удается создавать не только наноэлектронные, но и наномагнитные процессоры, в которых роль «кубиков “Лего”» играют наномагниты с размерами менее 100 нанометров, имеющие два выделенных направления магнетизации. В 2006 году нами экспериментально продемонстрированы логические узлы таких устройств, выполненные из пермаллоя, совмещающие в себе функции и памяти, и логических устройств.

В дальнейшем подобные клеточные автоматы, которые практически не будут рассеивать энергию (за счет исключительно маленьких мощностей переключения, а также за счет использования адиабатических реверсивных схем их функционирования), могут быть собраны из специализированных молекул, содержащих внутри себя элементы однобитовой клетки. Такие устройства будут иметь колоссальную плотность элементов на одном чипе.

Молекулярный комплекс, образующий QCA-клетку

Надо иметь в виду, что, хотя химические компоненты для создания такого рода молекул доступны, а сами молекулы могут быть созданы и поведение их тщательно промоделировано, собрать из них что-то полезное контролируемым способом пока не умеет никто. Необходимы новые способы управления процессами сборки функциональных устройств из молекул.

Так что это вопрос будущего. А сегодня к вам приходит химик и говорит: «Смотрите, эта голубая жидкость содержит те самые молекулы, из которых можно сделать QCA». При этом немаловажный вопрос состоит в том, как от голубой жидкости перейти к процессору, использующему эти молекулы в качестве функциональных блоков, и этот вопрос пока остается открытым. Мы работаем в этом направлении, пытаемся детектировать состояние молекул с помощью одноэлектронных транзисторов.

Кремний, конечно, никуда не денется. Напоследок наблюдение: всего лишь 40 лет назад кремниевые устройства не были повседневными элементами жизни. Автомобиль «Победа» прекрасно ездил и так. Сегодня, по сути, ни одно механическое устройство (автомобиль, самолет и так далее) неспособно функционировать без кремниевых микропроцессоров.