Замена кремния в процессорах
Обновлено: 07.07.2024
Меня зовут Дмитрий Муратов, я занимаюсь исследованием новых типов материалов для наноэлектроники и тонкопленочных устройств на кафедре функциональных наносистем и высокотемпературных материалов Национального исследовательского технологического университета МИСиС.
Как кремний стал главным материалом в микроэлектронике?
Сегодня на основе кремния (Si) производят интегральные микросхемы для большинства современных электронных приборов. На бытовом уровне это смартфоны и планшеты, а на более профессиональном — рабочие станции, сервера и суперкомпьютеры. На мой взгляд, востребованность кремния в электронике связана с тремя основными причинами:
- Стоимость сырья. Кремний получают из кварцевого песка. Кварц — один из самых распространенных минералов в земной коре. Другие полупроводники гораздо дороже добывать и очищать.
- Удобство. Из кремния и металлических контактов можно собирать МОП-структуры — металл — оксид( SiO2) — полупроводник (Si) — непосредственно на одном кристалле, например, для полупроводниковых транзисторов.
- Температура. Кремний стабильнее некоторых других полупроводников. И работает в диапазоне от комнатной температуры до 150 °C.
Однако у этого элемента есть два главных недостатка. Во-первых, это ограничение по частоте — выше 5 ГГц процессоры сейчас не работают, так как кремний не может функционировать на более высоких частотах. И, во-вторых, существует ограничение с оксидом кремния. Это как раз тот слой, который удобно делать для полупроводниковых транзисторов, но, оказывается, в структурах менее 5–10 нм он плохо работает и его нужно чем-то заменять.
Эти недостатки не позволяют существенно увеличить быстродействие и снизить тепловыделение современных вычислительных устройств, поэтому развитие в области центральных и видеопроцессоров пошло по пути многоядерности. Применение многоядерной архитектуры также приводит к росту производительности, но накладывает ограничение на разработчиков, которым приходится оптимизировать программы для параллельных вычислений, что не всегда возможно. В связи с этим возникает потребность найти замену кремнию.
Какие существуют альтернативы?
Альтернатив множество, но все они существенно дороже в производстве, и главное — возможный ресурс по сырью в большинстве случаев ограничен. Среди новых материалов можно выделить карбид кремния (SiC), арсенид галлия (GaAs), нитрид галлия (GaN) и другие менее разработанные, но не менее интересные соединения. В том числе халькогениды переходных металлов и производные графена, которые тоже обладают полупроводниковыми свойствами, то есть не проводят ток так же хорошо, как металлы, но и не являются полностью изоляторами.
На мой взгляд, наибольший потенциал по замене кремния имеет смешанная технология с применением материалов с высокой диэлектрической проницаемостью, таких как оксид гафния, для создания диэлектрического слоя вместо оксида кремния в МОП-структуре. Еще одна наиболее интересная и теоретически проработанная технология — использование нитрида галлия, на данный момент он применяется в полупроводниковых лазерах.
Также потенциал есть и у карбида кремния. Например, в 2015 году компания Toyota объявила о результатах испытаний гибридных автомобилей, оснащенных блоками питания, в которых стандартный кремний заменен на карбид кремния. Пробег таких автомобилей на том же количестве топлива вырос на 5 %. Это стало возможно за счет повышения эффективности силовых полупроводников и уменьшения сопротивления проходящего тока.
Может ли графен заменить кремний?
На данный момент графен — невероятно тонкий лист углерода толщиной в один атом — является самым изученным двумерным материалом. Двумерными называются соединения, которые состоят из одного слоя кристаллической решетки атомов. Первые работы, показывающие уникальные свойства графена, были сделаны с помощью куска графита и скотча учеными русского происхождения Андреем Геймом и Константином Новосёловым. В 2010 году их наградили за это Нобелевской премией.
Графен — перспективный материал, однако в сфере полупроводников его проблема в том, что у него нет так называемой запрещенной зоны, то есть состояния, когда он не проводит ток вообще. Эту проблему можно решить разными способами, но это сложно и дорого. Мои коллеги из США, например, делают графеновые наноленты, у которых есть свойства полупроводников.
Несмотря на это компании ведут разработки с графеном. Например, Huawei проводила исследования в области терморегуляции смартфонов, Samsung планирует выпустить смартфон на графеновой батарее. Кроме того, недавно канадская компания ORA Graphene Audio представила первый потребительский продукт из графена — наушники.
Какие компании сейчас являются лидерами в индустрии полупроводников?
Массовая индустрия полупроводников — это производство чипов памяти и процессоров для мобильных устройств и вычислительных центров. Для этих целей продолжают использовать кремний. Среди мировых лидеров в этой отрасли: американские Intel, AMD, Qualcomm и Apple, британская ARM, которая разрабатывает процессоры для смартфонов, уже упомянутый южнокорейский Samsung и китайский Huawei. Но заводов по производству устройств на передовых технических процессах очень мало, это мощности тайваньской TSMC, заводы Intel и Samsung. Все остальные более отсталые в этом плане. И сейчас, похоже, самое высокотехнологичное оборудование есть только у TSMC, больше никто не может делать процессы с настолько тонкой структурой.
Что еще интересно, ключевой компонент в оборудовании всех этих заводов — установки для ультрафиолетовой литографии — производит вообще практически одна компания в мире — голландская ASML.
В России, насколько мне известно, разработки по полупроводниковой тематике сводятся к проектированию устройств на архитектурах «Эльбрус» (ultrasparc) и «Байкал» (ARM) для оборонной промышленности либо к производству печатных плат для различных изделий. Кроме того, в стране есть производство высокочистого кремния и завод по изготовлению кремниевых солнечных панелей.
Предприятия типа «Ангстрем» имеют немного устаревшее оборудование AMD, но вполне годятся для производства чипов общего назначения с низкими запросами на быстродействие. Есть производство отдельных полупроводниковых устройств, в том числе транзисторов на заводе «Пульсар».
С остальными разработками всё довольно грустно, так как в нашей стране на них просто нет спроса, а отставание в технологическом плане от мировых лидеров, скорее всего, сильно снижает и общемировой спрос на нашу продукцию.
Что касается фундаментальных исследований полупроводников, то они идут. Есть научные фонды и специальные программы. Но даже если мы создадим какие-то устройства на базе новых материалов и всё проверим, их можно будет только положить в стол или продать на Запад, потому что у нас, к сожалению, это вряд ли кого-то заинтересует.
Такие материалы, как германий и силицен, обеспечивают возможность создания микроскопических транзисторов, более быстрых процессоров и носителей информации. CHIP выяснил, как в будущем из них будут изготавливаться чипы.
Закон Мура — это мантра полупроводниковой промышленности, которая гласит, что процессоры должны становиться быстрее и меньше. Для того чтобы и дальше иметь возможность следовать данному правилу, необходимо находить новые материалы для производства транзисторов, поскольку кремний постепенно подходит к границам своих физических возможностей.
Веществом, в настоящее время оценивающимся в качестве возможного преемника кремния, является германий. Этот полупроводник обладает значительными преимуществами по сравнению с кремнием: его низкое сопротивление позволяет увеличить тактовую частоту процессоров, не приводя к критическому тепловыделению.
«Родственник» кремния с большим потенциалом Александр Демков из Техасского университета (США) рассматривает германий не только в качестве сырья для производства процессоров, но и как революционное решение в области технологии хранения данных. Физик рассчитал, что с применением этого полупроводника можно создать сегнетоэлектрический полевой транзистор (FeFET).
FeFET-транзистор является энергонезависимым элементом, он сохраняет свое состояние без подачи питания и таким образом может использоваться в качестве постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). При этом запись и чтение в накопителе на базе FeFET-элементов могли бы производиться настолько же быстро, как и у современной оперативной памяти.
Накопитель на базе сегнетоэлектрических транзисторов способен быть столь же быстрым, как оперативная память, и таким же стабильным, как магнитные жесткие диски. То, что долгое время было чистой теорией, с помощью германия может быть эффективно реализовано на практике.
В качестве замены кремния наряду с германием большим потенциалом обладают так называемые 2D-моноструктуры, состоящие из одного слоя атомов. Самая известная из них — графен, часто называемый «чудо-материалом». Тем не менее это соединение углерода вряд ли подходит для производства процессоров: поскольку у материала практически отсутствует электрическое сопротивление, транзисторы из графена не могут просто включаться и выключаться.
Вследствие волнистой структуры электроны атомов силицена, расположенных выше, имеют немного другое энергетическое состояние, чем электроны атомов, расположенных ниже. Та-
ким образом, с применением силицена (в отличие от графена) также возможно производить транзисторы.
Теперь надежды возлагают на двумерный материал силицен, состоящий из атомов кремния. Хотя производить его сложнее, чем графен, благодаря своей слегка волнистой структуре он обладает так называемой «запрещенной зоной» — характеристикой, которая делает материал «регулируемым».
Однако есть и проблема: силицен разлагается на воздухе через несколько минут. В настоящее время ученые лихорадочно работают над методами, которые позволят сделать материал более устойчивым. Уже высказаны первые предложения — например, нанесение защитного тефлонового слоя. В случае успеха дальнейшая миниатюризация процессоров могла бы стать безграничной.
Для выпуска транзисторов меньших размеров требуются не только новые материалы, но и новые производственные процессы. Начиная с области в 10 нанометров и менее производители вынуждены использовать нанопровода в качестве транзисторов. Для возможности срабатывания у них должен быть электрический контакт с «внешним миром»: для этого их необходимо соединить с металлом.
До сих пор провода и контакты изготавливали по отдельности, а затем соединяли друг с другом; сложность производства при этом весьма высока. Ученые из Копенгагенского университета разработали метод, при котором последний этап становится излишним. Им удалось создать гибридный нанопровод, который с самого начала соединен со своим электрическим контактом. Используемый инженерами металл (алюминий) обладает сверхпроводимостью, так что нанотрубки способны стать основой схем для будущих квантовых компьютеров.
Новый тип полупроводниковых нанотрубок «сращен» на атомарном уровне с электрическими контактами. Это прочное соединение должно обеспечить возможность промышленной обработки.
Прорыв в области сверхпроводников
Однако самая большая проблема в области сверхпроводников состоит в том, что они достигают своей практически нулевой проводимости только при очень низких температурах. Например, алюминий становится сверхпроводящим только при температуре –272 °С. Поэтому его необходимо охлаждать жидким гелием, а это очень дорогой процесс.
Для рентабельной эксплуатации сверхпроводников и квантовых компьютеров, созданных на их основе, материалы (в идеале) должны находиться в сверхпроводящем состоянии уже при комнатной температуре. Это до сих пор немыслимо, но вполне возможно. Международной группе во главе с Андреа Каваллери (общество им. Макса Планка) в ходе эксперимента на короткое время удалось достичь сверхпроводимости керамического материала при комнатной температуре с помощью коротких инфракрасных лазерных импульсов.
Несмотря на то что эффект продолжался всего несколько миллионных долей микросекунды, Каваллери считает, что это стало первым шагом к сверхпроводникам будущего, которым не будет требоваться охлаждение.
Недавно эффект левитации магнита над сверхпроводником был впервые получен при комнатной температуре. Это явление возникает, когда магнитные поля металлов вытесняются наружу.
Все достижения в области исследования материалов, которые призваны повысить скорость компьютерных процессоров и носителей информации, окажутся напрасными, если не будет устранено одно «узкое место»: скорость обмена данными. Информация между различными ядрами процессора или между процессором и запоминающими устройствами до сих пор передается по обычным медным проводам. Однако этот маршрут неприемлем для будущего, так как уже на уровне процессора он приведет к «мега-затору» в магистральной шине передачи данных.
Шина передачи данных между несколькими ядрами процессора ограничивает производительность компьютера. Новый лазер из соединения олова и германия должен устранить эту проблему.
Идеальным решением для беспрепятственной передачи данных было бы использование света вместо металлических проводников. Однако специалисты до сих пор не могли найти подходящего материала, из которого может быть создан лазер, совместимый с традиционными процессорами.
Прорыв произошел в конце января 2015 года: ученые Исследовательского центра Юлих и Института Пауля Шеррера представили инфракрасный лазер, созданный на основе соединения германия и олова. Этот материал может быть интегрирован в современные процессоры и способен не только увеличить быстродействие компьютеров, но и значительно уменьшить их энергопотребление.
Инфографика: Andreia Margarida da Silva Granada
После перехода на техпроцесс 28 нм в промышленности впервые сложилась ситуация, когда транзистор последующего поколения стоил больше, а не меньше, чем транзистор поколения предыдущего. На сегодняшний день осталось лишь три компании, которые продолжают миниатюризацию ниже норм 28 нм — Intel, TSMC и Samsung.
В качестве перспективного материала для новых, более миниатюрных транзисторов давно рассматривались углеродные нанотрубки. За счёт своей кристаллической структуры они сохраняют полупроводниковые свойства при значительно меньших размерах. Например, затвор с их помощью можно сделать почти в 20 раз короче, чем в самых миниатюрных кремниевых транзисторах.
Инвертор, построенный по новой технологии
Ядро процессора (вспомогательные структуры по периметру не показаны)
О миниатюризации пока говорить не приходится: техпроцесс исчисляется тысячами нанометров.
Процессор имеет 5 слоёв металлизации
Нужно нанести на поверхность слоя нанотрубок небольшой объём фоторезиста, отвердить его, а затем воздействовать на пластину ультразвуковыми колебаниями. При этом скопления отделяются, а монослой нанотрубок остаётся на месте благодаря удерживающему его фоторезисту. В дальнейшем фоторезист растворяют.
Борьба со скоплениями по технологии RINSE
Важно, что созданный процессор — это не просто единичный образец. Учёные доработали существующие САПР, изначально рассчитанные под кремниевые транзисторы, и создали библиотеку стандартных ячеек. Теперь всё это можно использовать для создания сложных схем на базе нового материала. А это значит, что у технологии есть перспективы промышленного применения.
Технология производства состоит более чем из 100 этапов
Предполагается, что процессоры на углеродных нанотрубках смогут стать втрое быстрее и энергоэффективнее своих кремниевых аналогов.
P. S. Баянометр считает, что процессор в равной степени похож на тетрадь, на ковёр и на бюст Гоголя.
У кремния есть одно непобедимое преимущество: ДЕШЕВЛЕ. Плюс его можно сделать проводником, полупроводником, изолятором — и всё в одном технологическом цикле. А с углеродными трубками как не ебись, останутся проводником. Ой, забыл, к каждой нужны наноэлектроды из золота.
Проблему с сортировкой трубок уже решили? Ведь нельзя сделать все трубки полупроводниками.
Сортировка нанотрубок приближает эру нанотехнологий
Ой, да не ссыте, еще 10 лет точно все будут на кремнии сидеть, а дальше, что-нибудь придумают.
Для тех, кто, как и я, после фразы "На сегодняшний день осталось лишь три компании, которые продолжают миниатюризацию ниже норм 28 нм — Intel, TSMC и Samsung" не понял, а как же amd с их процами с 7нм техпроцессом.
AMD не сами фигачат микроэлектронику. А такие вещи заказывают у той же tsmc. Ну или что-то вроде того.
продолжают миниатюризацию ниже норм 28 нм — Intel и Samsung
А они этим разве вообще занимаются? Я думал они только архитектуру пилят и маркейтинг занимается.
Надо больше слоёв в кристалле. Уходить от "плоскости", приближаться к кубу. А что насчёт химической инертности самого углерода в трубках, срок службы до критического окисления?
Новость с запахом нафталина.
Про нано трубки уже лет 15 говорят, а воз и ныне тамКрасный – соответствует излучению электромагнитной волны длиной примерно 625-740nm
Лучше бы солнечные элементы с такими технологиями печатали.
Нейронные сети учатся распознавать Deepfake
Пару недель назад я выложил пост про нейронные сети, которые способны удалять с видео любые движущиеся объекты и всякие следы их существования. Тени от этих объектов, поднятую пыль, иногда даже почти хорошо удалялись волны на воде. И тогда, под тем постом, прямо таки развернулась дискуссия о том, как в принципе можно было бы бороться с подделкой видео. Не только с удалением объектов, но и с теми же дипфейками.
И вот сегодня я бы хотел представить один из способов, который на сегодняшний день активно прорабатывается. Собственно, способ вполне логичный - если мы можем создать нейронные сети, которые способны подделывать видео настолько, что эта подделка становится неразличима человеческим глазом, то почему бы не использовать ровно эти же самые сети для того, что бы распознавать эти незаметные человеческому глазу подделки?
Этим вопросом и задались учёные из Германии и Италии. Ниже прикладываю презентацию их совместной научной работы.
А также, как и в прошлый раз, прикладываю своё собственное видео, с разбором того, а чём именно идёт речь в их презентации.
Итак, краткая выжимка того, о чём именно их работа. Конкретно эта группа учёных не ставила перед собой задачу разработать концептуально новую нейронную сеть, которая бы хорошо распознавала подделку на видео. Они провели комплексную сравнительную работу. Взяли набор видео, часть из которых была отредактированная нейронными сетями, а часть нет. И, с одной стороны, попросили группу людей угадать, какие именно видео являются подделками, а с другой стороны точно такую же задачу поставили перед распространёнными свёрточными нейронными сетями, основная задача которых как раз заключается в распознавании на видео и фотографиях тех или иных объектов. То есть, они брали не специализированные нейросети, а самые обычные. Те, которыми можно распознавать на видео котиков, к примеру.
И итог их исследования оказался следующим - нейросети уже сейчас способны настолько качественно подделывать видео, что люди их практически не распознают. Обычный человек уже сегодня не отличит качественный дипфейк от оригинального видео. С другой стороны, самые обычные свёрточные нейронные сети эти же самые дипфейки распознают вполне уверенно. Не всегда со стопроцентной точностью, но самые новые архитектуры вполне достигают точности более 80%.
По сути, самая очевидная идея в данном случае оказывается самой эффективной. Зачем придумывать сложные схемы борьбы с нейросетями, если можно просто заставить бороться с ними другие нейросети. Безусловно, данный метод не является самым надёжным. Но уже сегодня он является наиболее оправданным с позиции точности распознавания и ресурсов, которые требуются на создание такой системы. По факту, использовав созданный учёными в данной работе массив видео для обучения нейросетей, вы сможете у себя дома создать свою собственную систему распознавания дипфейков. Единственным ограничением правда будет время обучения такой сети. Если не использовать видеокарты NVidia старше 20хх серии и разработанную ими же библиотеку для машинного обучения, создание такой сети может затянуться на месяцы. Но тем не менее, такая возможность у вас всё ещё остаётся.
Ну и подводя итог, если углубиться в эту область (а я полагаю многие спецслужбы многих стран мира занимаются этим уже не первый год) и создать специализированную нейросеть, которая была бы эффективна конкретно в распознавание дипфейков, то в принципе можно и не бояться коллапса судебной системы от вала поддельных видео и фотографий. Правда всё это в конечном итоге придёт к войне щита и меча - когда с одной стороны будут создаваться всё более совершенные нейросети для подделки видео, а с другой те же самые нейросети для распознавания этих подделок. Но специалистов способных на подобное сейчас итак с руками отрывают крупнейшие мировые корпорации, поэтому вряд ли их сможет нанять какая то местечковая мафия. Если подобная война и развернётся, то начнётся она в высоких груг И опять же, поскольку это буквально практически одни и те же архитектуры нейросетей, существенного и долговременного перевеса в данной войне ни одна из сторон получить не сможет.
Презентация ARM Первый процессор, полностью сделанный из пластика, открывает двери на новые рынки, на которые кремний не имеет выхода, и открывает новые возможности использования, которые ранее были невозможны. В мире, где мы перешли к парадигме Интернета вещей, где каждое устройство подключено к другим, появление процессоров, не основанных на кремнии, полностью меняет ситуацию. Можно ли создать оборудование без кремния ?
Кремний, несомненно, является базовым элементом для создания полупроводников, и вся современная полупроводниковая технология основана на использовании кремниевых слитков для создания новых микросхем, поскольку этот материал обладает превосходными свойствами для этой задачи. Вот почему мы не можем ожидать, что использование бессиликоновой электроники даже даст нам производительность, которая приближается к этому.
Однако есть рынки, где использование микросхем, созданных без кремния, обещает стать революционным и развернуться на 180 градусов, не считая изменения способа нашего повседневного взаимодействия. Понятно, что процессоры на основе бессиликоновой электроники имеют большое количество полезных выходов. Поэтому давайте посмотрим на некоторые примеры, разработанные в последние годы.
Наномагнитная логика и углеродные нанотрубки
Одним из ключей к использованию материалов, отличных от кремния, является замена использования электрических сигналов альтернативными формами. Один из них является наномагнитный логика, основанная на использовании наномагниты где можно создавать процессоры не из кремния, а из других металлов. Поскольку не будет использоваться электрический ток, эти процессоры работают с очень низким энергопотреблением и позволят внедрить их в местах, где зависимость от энергии для работы процессора больше не будет проблемой.
Другое решение - углеродные нанотрубки, которые основаны на использовании молекул графена, которые имеют особенность использования в качестве полупроводникового материала, такого как кремний, и поэтому ожидается, что это будет материал, который больше всего обещает, когда дело доходит до заменить кремний. На данный момент не заявлено ни одного коммерческого процессора, а значит, для массового рынка. Однако графен рассматривается как материал, предназначенный для решения некоторых присущих кремнию проблем, и рассматривается скорее как материал будущего и заменяющий его, чем как альтернатива.
Микроконтроллеры без пластика и силикона
В июле 2021 года ARM представила то, что они назвали ПластикАРМ , первый в истории процессор, полностью сделанный из пластика, и нет, даже не представить себе чего-то сопоставимого даже с APU для бюджетных смартфонов, поскольку это очень примитивный одноядерный микроконтроллер с 32-битным ядром на основе ISA ARMv7 , 128 байт Оперативная память и 456 байтов ПЗУ, что является реализацией Cortex M0. Конечно, с очень скромной скоростью 20 кГц , так что есть огромный запас для улучшения, хотя мы принимаем во внимание тип используемого материала, а именно то, что пластик точно не известен как проводящий элемент электричества.
В чем его главное преимущество? Они очень дешевы в производстве по сравнению с обычными микросхемами. И какая от этого польза? Что ж, многие, например, мы можем поместить его в контейнер для еды и объединить его с небольшими датчиками, которые всегда предупреждают о состоянии еды, и это не единственная полезность, поскольку она также будет служить для хранения такой информации, как как его химический состав, его питательная ценность или даже его аллергены. И дело не только в еде, но и в одежде. Вы выбросили этикетку любимой одежды и испортили ее при стирке? Не беспокойтесь об этом, так как вы снова сможете проверить информацию.
Другая утилита предназначена для создания карт и / или карт в настольных играх, где каждый элемент, имеющий один из этих микроконтроллеров, не содержащих кремния, может напрямую взаимодействовать с другими картами или даже с игровой доской. Мы даже можем найти элементы мерчандайзинга и продвижения с этим типом интегрированных чипов, которые взаимодействуют с другими устройствами. Представьте, например, что вы покупаете готовый к выпечке продукт, в котором вам нужно только связать пластиковый микроконтроллер с духовкой, и что это настраивается напрямую. Как видите, утилит много, и, безусловно, подавляющее большинство еще не реализовано.
Стекло, оптические интерфейсы и «оборудование без силикона»
Здесь мы собираемся обмануть, так как стекло частично состоит из кремния. Когда мы говорим о процессорах или аппаратном обеспечении, не содержащих кремния, мы имеем в виду те, которые созданы не из слитков очищенного кремния, поэтому стекло попадает в эту категорию. У нас есть пример IonQ компания, которой удалось разработать основные элементы конструкции процессоров из этого материала.
Мы уже говорили, что сегодня большая проблема для развития оборудования заключается в затратах энергии на перемещение данных. Проблема, которая на уровне домашних ПК нас не волнует, но является призраком будущих разработок в самых мощных суперкомпьютерах. Как решить проблему расхода и повысить производительность? Использование оптических интерфейсов, в которых вместо электронов используются фотоны для передачи информации.
Проблема в том, что конструкция из стекла намного дороже и менее гибка, чем из пластика. А пока за пределами интерфейсов для подключения видеокарт на большом расстоянии или для строительства и посредники на массовом рынке, похоже, нет спроса на использование высокоскоростных интерфейсов, построенных без кремния. Давайте не будем забывать, что использование процессоров на основе нескольких микросхем на промежуточном устройстве - это не хлеб насущный, и поэтому потребуется время, чтобы увидеть вставки для стекла, и, конечно же, в продуктах с очень ограниченным тиражом или для очень специализированных рынков.
Читайте также: