Производительность процессоров возрастет в 500 раз

Сегодня ученые многих стран работают над решением вопроса увеличения быстродействия чипов. И хотя производители полупроводников заявляют, что еще как минимум до 2010 г. гарантированно можно следовать закону Мура лишь благодаря улучшению производственного процесса, уже очевидно, что на перспективу требуются более радикальные решения, например, как те, что предложены исследователями из университета в английском городе Бас (University of Bath).

Многие аналитики уверенно предрекают закону Мура полную несостоятельность уже в ближайшие пять лет, как только будут исчерпаны возможности дальнейшего уменьшения нормы технологического процесса производства полупроводниковых микросхем. К тому же все сложнее бороться с энергетическими потерями, которые также растут с увеличением числа транзисторов и соответственно соединяющих их дорожек. Один из способов уменьшить эти потери – полный отказ от проводных соединений. Именно таким образом пытаются решить проблему несколько исследовательских групп, разрабатывающих, по их заявлениям, революционные процессорные технологии. На данный момент, пожалуй, дальше всех продвинулась команда из Басского университета, на днях официально объявившая о начале новой фазы своей разработки.

Алан Ногаре: «Если исследования окажутся успешными, это позволит нам создать в ближайшие пять–десять лет полупроводниковые устройства с беспроводной связью между их элементами, что, в свою очередь, может привести к росту тактовой частоты процессоров в 200–500 раз»

По утверждению доктора Алана Ногаре (Alain Nogaret), возглавляющего группу ученых в этом вузе, их исследования в области магнитного резонанса позволят решить обозначенные выше проблемы и поднять производительность компьютеров в сотни раз по сравнению с современным уровнем.

Теоретическое обоснование своего тезиса Ногаре изложил еще в прошлом году в статье «Electrically Induced Raman Emission from Planar Spin Oscillator» в журнале Physical Review Letters. В ней описывается процесс, получивший название инверсный спиновый резонанс электрона (inverse electron spin resonance), который дает возможность за счет использования внешнего источника магнитного поля менять направление спина электрона, что, в свою очередь, заставляет электроны осциллировать, излучая микроволновую энергию. Как отмечает сам Алан Ногаре, в чем-то это напоминает генерирование сигналов в томографе на базе ядерного магнитного резонанса, только в наномасштабах. И такой микротомограф можно без проблем интегрировать с кристаллом микросхемы.

Однако теория так и останется теорией, если не создать опытный образец, в котором будет реализован инверсный спиновый резонанс. Недавно было объявлено о том, что Басский университет возглавит трехлетнюю исследовательскую программу с финансированием в 555 тыс. фунтов стерлингов, итогом которой должно стать появление прототипов систем полупроводниковых чипов с практически полным отсутствием проводящих дорожек. В них планируется использовать созданный на основе открытия Ногаре планарный спиновый генератор (planar spin oscillator). Как заявляют исследователи, это устройство потребляет всего один нановатт энергии, а меняя подаваемое напряжение, систему можно настраивать в весьма широком диапазоне частот: от 0 до 500 GHz, что создает предпосылки для определения наиболее эффективного способа модуляции и высокоскоростной передачи сигналов. В результате метод вполне подойдет для использования в микросхемах вместо обычных электрических проводников. Таким образом можно будет достичь уменьшения энергопотребления за счет снижения потерь в проводниках внутри чипов (количество дорожек предполагается свести к минимуму). Помимо этого, устранение ограничений, обусловленных, в частности, тепловыделением в микросхемах, построенных по традиционным технологиям, даст возможность радикально поднять быстродействие чипов. «Если исследования окажутся успешными, это позволит нам создать в ближайшие пять–десять лет полупроводниковые устройства с беспроводной связью между их элементами. Что в свою очередь, может привести к росту тактовой частоты процессоров в 200–500 раз», – заявил Алан Ногаре. Стоит также отметить, что отсутствие проводников в микросхемах позволит проектировать не только более быстрые, но и значительно более сложные микросхемы, чем выпускаемые в соответствии с применяемым сегодня технологическим процессом.

Так выглядят первые прототипы будущих высокочастотных процессоров

Английские исследователи также обращают внимание на тот факт, что в нынешних чипах выход из строя всего одной контактной дорожки может вывести из рабочего состояния все устройство. Благодаря новой технологии станет возможным сохранение нормального режима функционирования, и в подобном случае достаточно только перепрограммировать систему, чтобы изменилась внутренняя маршрутизация, исключив поврежденный участок. Как это ни парадоксально, но по той же причине разработка Ногаре существенно снизит и себестоимость выпуска микросхем. Сегодня для производства полупроводников требуются сверхчистые и, как следствие, сверхдорогие помещения. Чипы с беспроводными внутренними связями, по предварительным оценкам, смогут сохранять свою функциональность даже в случае выхода из строя до 5% внутренних компонентов. Кристаллы с таким процентом условного брака будут признаваться годными, и их станет возможным изготовлять в помещениях с менее жесткими требованиями к чистоте.

Пока работа ведется с образцами полупроводников на основе арсенида галлия, однако, по заверению разработчиков, со временем технология распространится и на производственный процесс с использованием кремния.

Отмечается также, что в случае успешного завершения исследований их результаты будут иметь применение и в области медицины: сверхминиатюрные передатчики, созданные на основе инверсного спинового резонанса, могут быть встроены в различные портативные диагностирующие сенсоры.

Если группе европейских ученых (а в проект вовлечены четыре университета из Великобритании, а также исследовательские центры из Бельгии и Франции) удастся реализовать теоретические предположения доктора Ногаре, то мы действительно находимся на пороге нового эволюционного витка в развитии полупроводниковых устройств.

В заключение же можно только привести слова самого Алана Ногаре: «Это исследование не только имеет большое практическое значение, но и в силу своей теоретической простоты оно весьма элегантно, что, как из-вестно, всегда наиболее притягательно в физических экспериментах».

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365