Исследователи электроники определили фундаментальный предел, который поможет продлить полувековой прогресс в производстве все более компактных микроэлектронных устройств для все более мощного и менее дорогого компьютеризированного оборудования.
Фундаментальный предел определяет минимальное количество энергии, необходимое для выполнения самой простой вычислительной операции: двоичного логического переключения, которое изменяет 0 на 1 или наоборот. Этот предел обеспечивает основу для определения набора границ более высокого уровня для материалов, устройств, схем и систем, которые определят будущие возможности для прогресса миниатюризации, возможного с помощью традиционной микроэлектроники, и ее дальнейшего расширения до наноэлектроники.
«В будущем возможности для гигамасштабной интеграции (микросхемы, содержащие до миллиарда устройств) и даже терамасштабной интеграции (чипы, содержащие триллионы устройств) будут регулироваться иерархией физических ограничений», - сказал Джеймс Д. Мейндл, профессор электротехника и вычислительная техника и директор Исследовательского центра микроэлектроники в Технологическом институте Джорджии. «Теперь мы знаем фундаментальный предел микроэлектроники и то, где мы находимся по отношению к нему».
Мейндл объяснил ограничения и их последствия 16 февраля на семинаре по нанотехнологиям на 167-м ежегодном собрании Американской ассоциации содействия развитию науки (AAAS) в Сан-Франциско.
Майндл и его соавтор Джеффри А. Дэвис сообщили в октябрьском номере журнала IEEE Journal of Solid State Circuits, что фундаментальный предел зависит только от одной переменной: абсолютной температуры. Однако, основываясь на этом фундаментальном пределе, инженеры могут вывести иерархию пределов, которые гораздо менее абсолютны, поскольку зависят от предположений о работе устройств, цепей и систем.
Исследователи изучили фундаментальный предел с двух разных точек зрения: минимальная энергия, необходимая для создания бинарного перехода, который можно различить, и минимальная энергия, необходимая для отправки результирующего сигнала по каналу связи. Результат был одинаковым в обоих случаях.
Фундаментальный предел, выраженный как E(min)=(ln2)kT, впервые был описан 50 лет назад инженером-электриком Джоном фон Нейманом, который так и не объяснил его вывод. (В этом уравнении T представляет абсолютную температуру, k - постоянную Больцмана, а ln2 - натуральный логарифм 2).
Хотя этот фундаментальный предел является теоретической точкой остановки для инженеров-электриков и программистов, Майндл говорит, что ни одно устройство будущего никогда не будет работать рядом с ним. Это потому, что разработчики устройств сначала столкнутся с ограничениями более высокого уровня и экономическими реалиями.
Например, электронные сигналы могут перемещаться по межсоединениям не быстрее скорости света. А квантово-механическая теория вводит неопределенности, которые делают устройства меньше определенного размера непрактичными.
Кроме того, есть более важная проблема - устройства, работающие на фундаментальном пределе, будут ошибаться так же часто, как и правильно.
«Вероятность совершения ошибки при работе на этом фундаментальном пределе передачи энергии при бинарном переходе составляет половину», - отметил Мейндл. «Другими словами, если вы работаете чуть выше предела, вы будете правы большую часть времени, но если вы работаете чуть ниже этого предела, вы будете ошибаться в большинстве случаев».
Что это значит для инженеров-электронщиков и программистов?
«Мы можем ожидать еще 10-15 лет экспоненциального темпа последних 40 лет в снижении затрат на функцию, повышении производительности и повышении производительности», - сказал Мейндл. «Будет много проблем, которые нужно решить, и изобретений, которые потребуются, как и в последние четыре десятилетия».
Он ожидает, что мировое использование кремния будет следовать образцу, установленному его использованием стали. Во второй половине 19 века использование стали росло в геометрической прогрессии по мере того, как мир строил свою промышленную инфраструктуру. После этого рост спроса на сталь снизился, но она остается основой мировой экономики, хотя другие материалы все больше бросают ей вызов.
«В середине 21-го века мы будем использовать больше кремния, чем сейчас, - предсказал он. «На смену ему придут другие материалы, например, пластик и алюминий вытеснят сталь из определенных областей применения. Но мы пока не знаем, что заменит кремний».
Хотя ограничения создают последний барьер для инноваций, Мейндл считает, что экономические реалии приведут к реальному концу достижений в области микроэлектроники.
"Что сделало возможным компьютерную революцию до сих пор, так это то, что стоимость каждой функции продолжала снижаться", - сказал он. «Вполне вероятно, что после определенного момента мы не сможем продолжать увеличивать производительность. Возможно, мы больше не сможем увидеть, как инвестиции окупаются за счет снижения стоимости каждой функции».
После этого дизайнеры будут полагаться на нанотехнологии для дальнейшего прогресса в миниатюризации.
«То, что происходит дальше, - это то, на что пытаются ответить исследования в области нанотехнологий», - сказал он. «Работа, которая ведется сегодня в области нанотехнологий, направлена на то, чтобы создать разрыв и перейти к совершенно новой научно-технической базе. Фундаментальные физические ограничения поддерживают гипотезу о том, что кремниевая технология предоставляет исключительную возможность для исследования наноэлектроники».
Исследование спонсировалось Агентством перспективных исследовательских проектов по контракту F33615-97-C1132, Корпорацией исследований полупроводников по контракту HJ-374 и Технологическим институтом Джорджии.