3D микрочип, в 1000 раз быстрее существующих

Ученые изобрели новый метод разработки и создания компьютерных микрочипов, который способен значительно ускорить обработку данных как минимум в 1000 раз по сравнению с существующими CPU. Основывается данный метод на материале, называемом углеродными нанотрубками и позволяет строить микрочип в трех измерениях.





По словам Макса Шалакера (Max Shulaker), члена команды дизайнеров чипа и кандидата на получение докторской степени в области электротехники Стэнфордского университета Калифорнии, такой 3D проект значительно экономит место в системе и увеличивает скорость обработки данных. Достигается это благодаря тому, что ученые вмещают память, хранящую все данные и уплотняют число процессор в миниатюрное пространство.

Сокращение расстояния между двумя элементами может в разы ускорить время обработки команд компьютером.



Фото Макса Шалакера.

Замедление прогресса

Вычислительные возможности компьютерных систем за последние 50 лет неустанно совершенствовались. Это происходит во многом благодаря способности постоянно уменьшать кремниевые транзисторы и трехаспектные переключатели, с помощью которых выполняются логические операции.

По закону Мура — грубого правила, сформулированного Гордоном Э. Муром (Gordon E. Moore) в 1965 году, число кремниевых транзисторов на чипе должно удваиваться каждые два года. Что правда, для дальнейшего следования правилу, необходимо уменьшит крошечные кремниевые транзисторы до 5 нанометров. Но тут возникает проблема – предел для кремния, который составляет 7 нанометров (для сравнении — величина человеческого волоса в среднем составляет около 100000 нанометров). Последующее уменьшение масштаба приведет к тому что квантовый эффект частиц может разрушить свое функционирование. Соответственно, закон мура придет к своему логическому концу в ближайшее десять лет. К тому же, бесконечное увеличение числа транзисторов на микросхеме — не единственный метод увеличения производительности системы.



Транзисторы на соврменных микросхемах. (Фото сделано электронным микроскопом.)

Проблема коммуникации

По словам Шалакера, одной из основных преград в скорости обработки данных компьютером является память.

Обработка большого количества данных требуют запроса к ранее неизвестным данным, которые еще не были внесены в кэш. В таком случаи потребуется немало времени на выполнения нового запроса. Запрос на получения информации для обработки той или иной команды сначала пойдет во внутренний кэш самого процессора. Далее, обыскав все уровни кэша, поступит ответ, что попаданий нет и ядро отправит запрос к оперативной памяти. После поиска по оперативной памяти, опять таки, поступит ответ, что ничего не найдено. И только тогда запрос будет отправлен к HDD или SSD накопителю. Сигналу придется пройти по относительно толстым (для электронов) проводам, преодолевая постоянное сопротивление. Согласитесь, данный путь слишком длинный и за этот отрезок времени ядро успело бы уже несколько раз закончить обработку.

Если бы Вы выполняли данный запрос вместо вашего ПК, то 96% времени составило бы ожидание. Также стоит помнить, что даже когда CPU ожидает поступления нужной инструкции, он по прежнему потребляет электроэнергию. В качестве альтернативного решения можно предложить совместить CPU и память на одной пластине. Вот только не получится разместить эти два компонента на одной пластине — кремниевая вафля требует нагрева в 1000 ^оС, что приведет к плавке металлических элементов твердотельного накопителя или жесткого диска.

Углеродные нанотрубки

Что бы обойти проблему с разницей температур, команда стэнфордского университета обратила свое внимание на открытый около 10 лет назад одномерный углеродный материал — углеродные нанотрубки. Это — протяженные цилиндрические, сетчатые структуры из атомов углерода диаметром от одного до нескольких десяткой нанометров. Возможности обработки при низкой температуре стали ключевыми в выборе материала для альтернативы кремнию. Температура обработки составляет всего 200 ^оС.

УНТ (углеродные нанотрубки) имеют свойства электропроводности, равные кремниевым транзисторам, но их электрические свойства зависят от угла скручивания гексагональной графитовой плоскости. Таким образом, ученым удалось добиться более высокой проводимости на 5 порядков.



Три примера нанотрубок.

Если сравнивать УНТ с кремниевыми транзисторами в равных условиях и с равной архитектурой, концепцией устройств, то нанотрубки будут значительно быстрее по производительности, при этом потребляя меньше энергии.

Тем не менее нанотрубки растут хаотично и больше похожи на сваренные в чашке спагетти. Естественно такой вариант не подходит для производства микросхем. Исследователи разработали метод выращивание УНТ в узких канавках, придавая им целенаправленный рост. Но это не решило всех проблем. В то время как 99,5% нанотрубок растут упорядочено, 5% упрямо отказываются расти по запланированному маршруту. Выход из данной ситуации оказался слегка неожиданным. Отверстия в районе дефектных УНТ позволяют чипу работать именно так, как и ожидается, нейтрализуя дефекты роста нанотрубок.



Рост нанотрубок. (Фото сделано электронным микроскопом.)

Еще одна возникшая проблема пророчила погубить всю затею. Хотя полупроводимость большинства выращенных трубок равна кремнию, остальная часть имеет проводимость обычного метала. К сожалению, ученые затруднялись предсказать, какие из трубок будут дефектными. Эти немногие УНТ могли разрушить весь чип. Но и тут было найдено решение — Шалакер и его коллеги попросту подали на чип огромные импульсы напряжения. Таким образом, проводники выступили в качестве предохранителей и перегорели под действием высокого напряжения. А на чипе остались только полупроводники.

Эта команда уже создавала компьютер на основе УНТ, но он был медленным и громоздким с относительно небольшим количеством транзисторов. Процессор данного устройства сопоставим по мощности с Intel 4004, выпущенным в 1971 году. Первый процессор, основанный на нанотрубках, содержал 178 транзистора, их приблизительная длина варьировалась от 10 до 200 нанометров.



Макс Шалакер, в руках у него ранее произведенная вафля с чипами на основе кремниевых нанотрубок.

Теперь исследователи во главе с Шалакером создали систему для укладки памяти вместе с транзисторными слоями, соединяя их крошечными слоями. Новая структура значительно экономит время запросов и, соответственно, время полной обработки команды. В 1000 раз быстрее, чем аналогичные системы равной производительности. Используя новую архитектуру, команда создала множество сенсорных пластин, которые позволяют обнаружить все — от инфракрасного света до определенных химических веществ в окружающей среде.

Ранее я писал статью про альтернативу кремнию в виде полупроводников на основе InGaAs. Вот еще одна, в виде углеродных нанотрубок.
А какие альтернативы кремнию, как полупроводнику, знаете вы? Какие из них подойдут для микрочипов будущего?

Источник: geektimes.ru/company/ua-hosting/blog/263026/