Металл-воздушный транзистор продлит действие закона Мура — как работает технология

09.12.2018

Австралийские специалисты представили металл-воздушный транзистор, принцип действия которого напоминает работу вакуумных транзисторов. Рассказываем, в чем суть технологии.

/ фото Marcin Wichary PD / Визуализация закона мура в научном музее в г.Падерборн / фото обрезано

Почему появилась такая технология

Есть мнение, что закон Мура потерял свою актуальность. Последние несколько лет плотность транзисторов на кристалле увеличивается не так быстро, как раньше. Хотя при переходе от техпроцесса к техпроцессу она по-прежнему растет примерно в два раза, разработка новых методов «упаковки» транзисторов затягивается. Компания Intel уже несколько лет откладывает массовый релиз 10-нм процессоров Ice Lake (их стоит ждать не ранее 2020 года).

При этом уменьшение размеров компонентов более не дает значительного прироста в производительности. В частности, переход с 7-нм техпроцесса TSMC (которые производят чипы для AMD) на 5-нм увеличит тактовую частоту процессора лишь на 15%.

Снижение темпов роста производительности оказывает влияние на бизнес-процессы дата-центров. ЦОД приходится наращивать вычислительные ресурсы путем расширения парка серверов. Это ведет к увеличению энергопотребления в дата-центре, а значит росту расходов на электричество.

Специалисты со всего мира занимаются разработкой новых технологий, которые бы позволили продлить действие закона Мура и одновременно увеличить производительность процессоров. Одной из таких технологий является металл-воздушный транзистор, который разработала команда из Мельбурнского королевского технологического университета (RMIT).

Как работает металл-воздушный транзистор

Транзистор имеет два металлических электрода, которые выполняют роли стока и истока. Работа устройства основывается на тех же принципах, что использовались в вакуумных транзисторах, но с одним отличием — новый транзистор работает в воздушной среде.

Ранее вакуум был нужен, чтобы электроны не сталкивались с молекулами воздуха и не теряли заряд. В металл-воздушном транзисторе расстояние между электродами настолько мало — сток и исток находятся менее чем в 35 нанометрах друг от друга — что молекулы газов не успевают повлиять на частицы.

По своей конструкции металл-воздушный транзистор напоминает классические полупроводниковые устройства MOSFET. «Обмен» электронами между стоком и истоком (которые заострены для усиления электрического поля) происходит из-за эффекта автоэлектронной эмиссии. Только затвор располагается не между стоком и истоком, а под ними. Сам затвор изолирован от системы тонкой оксидной пленкой.

Перспективы технологии

По словам руководительницы проекта Шрути Нирантар (Shruti Nirantar), технология «вдохнет жизнь» в закон Мура. Она позволит строить 3D-сети из транзисторов. В результате разработчики процессоров смогут перестать «гоняться» за миниатюризацией техпроцессов и сконцентрируются на реализации компактных 3D-архитектур. Эти архитектуры позволят размещать больше транзисторов на кристалле.

Также новая технология увеличит производительность чипов. Специалисты уверены, что рабочая частота транзисторов составит несколько сотен гигагерц. Для сравнения: сейчас максимум для кремниевого компонента — 40 ГГц. Это позволит значительно увеличить производительность процессоров и оптимизировать серверные парки в дата-центрах.

/ фото Robert CC BY

Сейчас для развития технологии важно найти финансирование для проведения дальнейших экспериментов. Команде специалистов нужно решить одну техническую сложность. Так как электроды транзистора имеют заостренную форму, под действием электрического поля они «плавятся», что снижает их эффективность. Проблему надеются исправить в ближайшие два года, подобрав оптимальную форму электродов, которая была бы менее подвержена этому эффекту.

Другие технологии, которые должны продлить закон Мура

Существуют и другие разработки, которые должны «растянуть» время действия закона Мура. Одна из них — спиновые транзисторы. Их работа основана на перемещении спинов электронов. Ток в такой системе формируется за счет поляризации спинов и упорядочивания их в одном направлении.

Такие устройства потребляют в 10–100 раз меньше энергии, чем кремниевые транзисторы, а их максимальная плотность на чипе — в пять раз выше. Над реализацией технологии работает Intel. Однако о том, когда решение «выйдет из лаборатории», компания не сообщает.

/ фото Fritzchens Fritz PD / Intel Skylake

Другое направление исследований — «волитроника», или valleytronics. Она предлагает использовать свет разной поляризации для управления электронами в максимальных и минимальных значениях уровня энергии, кодируя информацию.

Команда специалистов из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли уже спроектировала подобного устройства на базе моносульфида олова. По словам разработчиков, технология поможет создать гибридные фотонно-электронные процессоры, которые будут обладать большей производительностью, чем традиционные устройства.

Доподлинно неизвестно, когда все эти разработки применят в ЦОД или гаджетах для массового потребителя. Однако над некоторыми проектами уже работают крупные государственные организации. Например, собственным металл-воздушный транзистором занимается НАСА, а DARPA запустили программу грантов для разработчиков процессоров. Эксперты предполагают, что новые решения могут начать широко применяться в ближайшие десять лет.

P.S. О чем еще мы пишем в первом блоге о корпоративном IaaS:

P.S. Наши публикации в Telegram-канале: