Какого порядка на сегодняшний момент минимальные размеры производимых элементов транзисторов

В университете Беркли создали транзистор размером в нанометр

Группа физиков из Национальной лаборатория имени Лоуренса в Беркли создала первый в мире транзистор, размер затвора которого составляет всего лишь один нанометр. Это на порядок меньше, чем размер затворов самых маленьких по размеру современных транзисторов.

«Нам удалось создать самые маленькие на сегодняшний день транзисторы. Размер затвора — один из основных факторов, определяющих размер самого транзистора. Мы добились радикального снижения размера затвора, доказав возможность дальнейшей миниатюризации электроники», — говорит Али Джави (Ali Javey) из Калифорнийского университета в Беркли (США).

Считается, что из-за квантовых ограничений размер затвора кремниевого транзистора не может быть меньше 5 нм. Если попытаться сделать затвор меньшим по размеру, то на работу элемента будет оказывать негативное влияние туннельный эффект. В этом случае транзистор прекращает выполнять свои функции из-за токов утечки и других проблем.

До граничного показателя в 5 нм производители электронных устройств еще не добрались. Сейчас минимальный размер затвора транзисторов составляет 20 нанометров. Но ученые, как видим, уже доказали возможность преодоления лимита в 5 нанометров. Для того, чтобы обойти ограничение по кремнию, для создания миниатюрных электронных элементов специалисты решили использовать другие материалы: дисульфид молибдена, графена или углеродные трубки.

Ученым из Беркли удалось объединить в единую систему дисульфид молибдена (MoS2) и углеродные нанотрубки. Такая комбинация позволила значительно снизить размеры затвора. Самый маленький транзистор в мире состоит из трех основных слоев. Это подложка из кремния, пластинка из диоксида циркония, проходящая через этот материал углеродная трубка и пленка из дисульфида молибдена. Пленка соединяет исток и сток транзистора. Как и кремний, дисульфид молибдена имеет кристаллическую структуру решетки. Но проходящие по MoS2 электроны тяжелее, чем в кремнии. Это означает, что электроны лучше удерживаются энергетическим барьером затвора.

Ученые говорят о том, что дисульфид молибдена образует листы толщиной в 0,65 нм c низким значением диэлектрической проницаемости. По этой причине небольшие затворы транзисторов смогут вырабатывать электрическое поле, достаточно сильное, чтобы не допустить появления туннельного эффекта. К сожалению, миниатюрные транзисторы, созданные в Беркли — это штучная работа, массово их производить пока нельзя.

«Создав транзистор, мы доказали, что затвор меньшего размера, чем 5 нм — вполне достижимая цель. Это ограничение оказалось преодолимым. И закон Мура может и дальше действовать, при условии, что мы будем выбирать правильные материалы», — заявил Джави. Если специалисты научатся создавать такие транзисторы в промышленных масштабах, то в ближайшее время закон Мура действительно будет продолжать действовать.

Закон Мура выведен Гордоном Муром по результатам эмпирического наблюдения. Согласно закону количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца. Этот «закон» известен уже более полувека. Собственно, это и не закон, но его положения, в целом, справедливы.

Вам понравится:  Как подключить одинарный выключатель к лампе

Представители Ассоциации полупроводниковой промышленности (Semiconductor Industry Association) этой весной опубликовала исследование, согласно которому в ближайшие шесть лет закон Мура перестанет действовать. Причина — в предельном размере затворов транзисторов, о чем было написано выше. Одна из предлагаемых альтернатив — это создание 3D-чипов с вертикальным расположением ядер, а не горизонтальным. Правда, в этом случае появляется еще одна важная проблема — это перегрев чипов. При объемной конструкции чипы будут нагреваться намного сильнее, и в этом случае во всех системах с электронными компонентами с ветикальной компоновкой ядер нужно будет использовать жидкостное охлаждение.

Некоторые эксперты считают, что закон Мура не выполняется с приписываемой ему точностью. Вполне может быть, что он известен только благодаря корпорации Intel и ее маркетинговой политике. Тем не менее, сейчас это уже больше, чем маркетинг, поскольку многие технологические компании обращают внимание на закономерность, названную законом, долгое время определяющую темпы развития полупроводниковой индустрии.

С момента появления появилось несколько интерпретаций закона Мура:

  • производительность микропроцессоров удваивается каждые два года;
  • плотность транзисторов на чипе увеличивается в два раза каждые 18 месяцев;
  • чипы одного и того же типа становятся в два раза дешевле каждые 18 месяцев;
  • производительность (вычислительная мощность) ПК увеличивается каждые 18 месяцев;
  • число транзисторов в новых чипах удваивается каждые два года.

Результаты работы ученых были опубликованы 7 октября в журнале Science.

Источник

Какого порядка на сегодняшний момент минимальные размеры производимых элементов транзисторов

Закон Мура — наблюдение (изначально сформулированное Гордоном Муром), согласно которому количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца.

Отметим, что часто цитируемый интервал в 18 месяцев связан с прогнозом Давида Хауса из Intel, по мнению которого, производительность процессоров должна удваиваться каждые 18 месяцев из-за сочетания роста количества транзисторов и увеличения тактовых частот процессоров.

Посмотрим, как выполняется правило:

Год Количество транзисторов в процессоре
1971 2 300
1974 5 000
1978 29 000
1982 134 000
1985 275 000
1989 1 180 000
1993 3 100 000
1997 8 800 000
2001 45 000 000
2005 228 000 000
2009 904 000 000
2013 4 200 000 000
2017 19 200 000 000

Фактически, данные подчиняются следующей формуле:

  • P(n) = P(o) * 2^n
  • P(n) = количество транзисторов в текущем периоде
  • P(o) = количество транзисторов в начальном периоде,
  • n = количество прошедших лет, деленное на 2

P(2017) = 19293798400, что примерно соответствует актуальному значению на 2017 год = 19200000000 транзисторов на кристалл.

Исполнение закона Мура в 1971-2018 годах

В 1965 году (через шесть лет после изобретения интегральной схемы) один из основателей Intel Гордон Мур в процессе подготовки выступления нашел закономерность: появление новых моделей микросхем наблюдалось спустя примерно год после предшественников, при этом количество транзисторов в них возрастало каждый раз приблизительно вдвое.

Вам понравится:  Выключатель зажигания 31512 3704005

Он предсказал, что к 1975 году количество элементов в чипе вырастет до 2 16 (65536) с 2 6 (64) в 1965 году. Мур пришел к выводу, что при сохранении этой тенденции мощность вычислительных устройств за относительно короткий промежуток времени может вырасти экспоненциально.Это наблюдение получило название — закон Мура.

В 1975 году Гордон Мур внёс в свой закон коррективы, согласно которым удвоение числа транзисторов будет происходить каждые два года (24 месяца).

Существует масса схожих утверждений, которые характеризуют процессы экспоненциального роста, также именуемых «законами Мура». К примеру, менее известный «второй закон Мура», введённый в 1998 году Юджином Мейераном, который гласит, что стоимость фабрик по производству микросхем экспоненциально возрастает с усложнением производимых микросхем.

Стоимость фабрики, на которой корпорация Intel производила микросхемы динамической памяти ёмкостью 1 Кбит, составляла $4 млн, а оборудование по производству микропроцессора Pentium по 0,6-микрометровой технологии с 5,5 млн транзисторов обошлось в $2 млрд. Стоимость же Fab32, завода по производству процессоров на базе 45-нм техпроцесса, составила $3 млрд.

По поводу эффектов, обусловленных законом Мура, в журнале «В мире науки» как-то было приведено такое интересное сравнение: «Если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как промышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолёт Boeing 767 стоил бы 500 долл. и совершал облёт земного шара за 20 минут, затрачивая при этом 20 литров топлива. Приведенные цифры весьма точно отражают снижение стоимости, рост быстродействия и повышение экономичности ЭВМ».

Рост числа транзисторов на кристалле микропроцессора (1970-2016). Точки соответствуют наблюдаемым данным, а прямая — периоду удвоения в 24 месяца.

На графике отображены данные о количестве транзисторов в процессорах, производительности, потреблению энергии, количеству логических ядер.

Вместе с тем на прошедшей в рамках выставки CES 2019 пресс-конференции, глава компании NVIDIA Дженсен Хуанг (Jensen Huang) объявил закон Мура более невозможным. Об этом сообщило издание CNET. Дженсен Хуанг заявил, следующее: «Закон Мура более невозможен».

Как теперь отметил топ-менеджер NVIDIA на сессии вопросов и ответов перед небольшим количеством журналистов, прямо сейчас закон Мура выражается в росте на несколько процентов каждый год и удвоение можно ожидать только каждые десять лет.

Интересно, что ещё в 2010 году вице-президент NVIDIA Билл Дэлли (Bill Dally) в своей колонке для журнала Forbes объявил о смерти так называемого закона Мура и отметил, что будущее за параллельными вычислениями.

Закон масштабирования Деннарда и его исполнение

Закон сформулировал в 1974 году разработчик динамической памяти DRAM Роберт Деннард (Robert Dennard) совместно с коллегами из IBM:

«Известно, что уменьшая размеры транзистора и повышая тактовую частоту процессора, мы повышаем повышать его производительность».

Правило закрепило уменьшение ширины проводника (по сути — миниатюризацию техпроцесса) в качестве главного показателя прогресса в микропроцессорной технике. Однако, закон масштабирования Деннарда стал буксовать еще в 2006 году. Количество транзисторов в чипах продолжает увеличиваться, но этот рост не дает существенного прироста к производительности устройств. Представители TSMC (производитель полупроводников) утверждают, что переход с 7-нм техпроцесса на 5-нм увеличит тактовую частоту процессора на 15%.

Вам понравится:  Заряд конденсатора постоянным током схема

Известно, что основной причиной замедления роста частоты являются утечки токов, которые Деннард и не учитывал в своих разработках. Даже нынешние студенты первых курсов знают, что при уменьшении размеров транзистора и повышении частоты ток начинает сильнее нагревать микросхему, что при достижении критической температуры выведет ее из строя. В итоге производителям приходится балансировать между выделяемой процессором мощностью и производительностью. Как результат — уже с 2006 года частота массовых чипов установилась на отметке в 4–5 ГГц.

Да, сегодня инженеры работают над новыми технологиями, которые позволят в обозримом будущем решить проблему и увеличить производительность микросхем. К примеру, специалисты из Австралии разрабатывают металл-воздушный транзистор, который работает на частоте в несколько сотен гигагерц. Элемент состоит из двух металлических электродов, выполняющих роли стока и истока. Главное в этой схеме — их расположение (расстояние 35 нм). Они обмениваются электронами друг с другом благодаря явлению автоэлектронной эмиссии. Устройство позволит перестать добиваться уменьшения техпроцессов и сконцентрироваться на построении высокопроизводительных 3D-структур с большим числом транзисторов на кристалле.

Закон Куми и его исполнение

Закон сформулировал в 2011 году профессор Стэнфорда Джонатан Куми (Jonathan Koomey). Совместно с сотрудниками Microsoft, Intel и университета Карнеги-Меллона он сделал следующий вывод исходя из информации об энергопотреблении вычислительных систем начиная с ЭВМ ENIAC (1946):

«Можно утверждать, что объем вычислений на киловатт энергии при статической нагрузке удваивается каждые полтора года». Утверждение, в частности уточняло, что и энергопотребление компьютеров за прошедшие годы также выросло.

Спустя десятилетие после формулировки этого закона выяснилось, что средняя производительность чипа на киловатт энергии теперь удваивается каждые три года. Ситуация поменялась из-за трудностей, связанных с охлаждением чипов (как и было описано выше, с уменьшением размеров транзисторов становится труднее отводить тепло)

Будущее не за горами?

Да, вовсю разрабатываются технологии охлаждения чипов. Однако об их массовом внедрении пока говорить не приходится. К примеру, разработчики из университета в Нью-Йорке предложили использовать лазерную 3D-печать для нанесения на кристалл тонкого теплопроводящего слоя, в который входит титан, олово и серебро. Теплопроводность такого материала аж в 7 раз лучше, чем у иных термоинтерфейсов.

Надо отметить, что в своем исследовании физик Ричарда Фейнмана (Richard Feynman) еще в 1985 году отметил, что показатель энергоэффективности процессоров способен вырасти в 100 млрд раз. Однако по состоянию на 2019 год это значение не увеличилось и в 100 тысяч раз. Мы привыкли к высоким темпам роста вычислительных мощностей, инженеры ищут способы продлить действие закона Мура и преодолеть трудности, продиктованные законами Куми и Деннарда. Решением могут стать замена основных конструктивных элементов на кардинально новые.

Источник

Оцените статью
Частотные преобразователи