×

Новая полупроводниковая пластина содержит вертикально ориентированные транзисторы. Источник.

Вы знакомы с принципом домино, когда в строгой последовательности расположенных рядом фишек падение одной запускает цепную реакцию во всей системе? Но сегодня речь не столько о причинно-следственных связях, сколько о транзисторах. Всё дело в том, что исследователи из IBM и Samsung создали первый прототип компьютерного чипа, в котором транзисторы стоят вертикально на своих краях – примерно так же, как и фишки в вышеупомянутом примере с домино. «А какая, собственно, разница?» – спросит пытливый обыватель. А такая, что это пустячное – на первый взгляд – изменение позволяет нам увеличить плотность элементов в схемах и повысить быстродействие и энергоэффективность устройств. И всё это без значительного изменения текущего технологического процесса.

«Это серьёзный прорыв, – говорит Дэн Хатчесон, аналитик полупроводниковой отрасли из TechInsights. – Это даёт нам представление о том, как будут выглядеть устройства следующего поколения».

Что ж, давайте для начала приведём небольшую предысторию.

С самого зарождения электронных схем на полупроводниковой подложке в 60-х годах, были разработаны транзисторы, предназначенные именно для размещения их в кремниевых микросхемах. Как тогда, так и до сих пор электрический ток проходит через них исключительно в поперечном направлении. Компаниям-первопроходцам также удавалось от поколения к поколению сокращать размеры транзисторов и наращивать их плотность в кристалле, что увеличивает производительность чипов. 

Эта тенденция, известная как закон Мура, до недавнего времени стабильно позволяла удваивать количество транзисторов «в камне» каждые 2 года. Так, уже в ближайшем будущем, чипы размером с ноготь будут вмещать аж 50 миллиардов транзисторов.

Однако всему есть предел, и сокращение размеров – не исключение. Сегодня наука упирается в физические ограничения, вызванные именно величиной существующих транзисторов: дальнейшее уменьшение чревато полной потерей их свойств, что делает миссию абсолютно бессмысленной. Дело в том, что они состоят из нескольких отдельных электрических проводников (поэтому их ещё иногда называют триодами), управляющих высоким током посредством низкого, что делает возможным контроль за прохождением зарядов в полупроводнике. Но это работает не всегда, а лишь при определённых условиях. Например, сдвиньте эти компоненты ближе, чем примерно 45 нанометров (0.000000045 метра), друг ко другу – и ток потечёт от одного к другому, не встречая сопротивления. В тот же момент, как цепь замкнётся, транзистор перестанет работать и уже не будет таковым. 

«Нам нужно было найти другое решение», – говорит Брент Андерсон, инженер IBM, руководивший проектом вертикальных транзисторов.

И выход нашёлся именно в том, чтобы поставить транзисторы вертикально, как кирпич, балансирующий на одном конце. Да, это звучит слишком просто для научного прорыва, но именно такое перенаправление триодов позволило исследователям как сохранять необходимую длину отдельных устройств достаточной для безупречной работы, так и компоновать их более плотно, чем на расстоянии 45 нм друг от друга.

Учёные создали заполненную вертикальными транзисторами кремниевую пластину, размером с обеденную тарелку, о чем сообщили на прошедшей в Сан-Франциско 11 ноября Международной конференции по электронным устройствам. Хотя они и не указали подробностей о шагах, предпринятых для изготовления своего прототипа, коллега Андерсона Хемант Джаганнатан говорит, что сделать это возможно и с использованием стандартных инструментов полупроводникового производства. Это очень важно, поскольку создание предприятий по производству полупроводников обходится в миллиарды долларов. «Мы не вносим никаких радикальных изменений, если в этом нет необходимости», – говорит Джаганнатан.

По прогнозам Хатчесона, благодаря этому достижению закон Мура может проработать ещё лет десять или около того. Как мы знаем, установка большего числа транзисторов даёт прирост в вычислительной мощности, но новый метод может быть использован и в чисто экономических (и даже экологических) целях, поскольку даёт возможность снизить расходы энергии.

Это на самом деле интересный вопрос: вот лично вы, например, предпочли бы рост производительности вашего смартфона или увеличение времени его работы без подзарядки – скажем, до 1 недели? С одной стороны, мы привыкли считать, что производительность не бывает лишней, а в будущем новинка позволит разрабатывать процессоры, работающие в два раза быстрее. Но если взглянуть на вопрос с другой точки зрения, то… вы действительно пользуетесь своими гаджетами в полную силу, используете их на полную мощность? Что касается смартфонов, то, если не брать в расчёт необходимые для их функционирования процессы, очень многие расходуют ресурсы своих устройств на множество вкладок и программ, которые просто долго остаются открытыми – не по необходимости, а лишь потому, что о них забыли.

Транзисторный же «переворот» уже в ближайшее время позволит нам сделать выбор в пользу 15-типроцентной экономии энергопотребления в новых чипах, по сравнению с сегодняшними их собратьями. Чем такой подход может аукнуться для технологий или нашей манеры пользования устройствами? Мы сможем себе позволить более сложные вычисления, и в кармане каждого человека окажутся алгоритмы глубокого обучения, которые будут понимать нас, что называется, с полуслова. А ещё у нас появится чуть больше возможностей не растрачивать энергию впустую, и, значит, мы сможем более ощутимо повлиять на экологическую повестку планеты.

Неплохие перспективы, правда? Тем более если учесть, что началось всё с банального поворота транзистора.


 

АРМК, по материалам Science.