Металл-воздушный транзистор продлит действие закона Мура — как работает технология

    Австралийские специалисты представили металл-воздушный транзистор, принцип действия которого напоминает работу вакуумных транзисторов. Рассказываем, в чем суть технологии.


    / фото Marcin Wichary PD / Визуализация закона мура в научном музее в г.Падерборн / фото обрезано

    Почему появилась такая технология


    Есть мнение, что закон Мура потерял свою актуальность. Последние несколько лет плотность транзисторов на кристалле увеличивается не так быстро, как раньше. Хотя при переходе от техпроцесса к техпроцессу она по-прежнему растет примерно в два раза, разработка новых методов «упаковки» транзисторов затягивается. Компания Intel уже несколько лет откладывает массовый релиз 10-нм процессоров Ice Lake (их стоит ждать не ранее 2020 года).

    При этом уменьшение размеров компонентов более не дает значительного прироста в производительности. В частности, переход с 7-нм техпроцесса TSMC (которые производят чипы для AMD) на 5-нм увеличит тактовую частоту процессора лишь на 15%.

    Снижение темпов роста производительности оказывает влияние на бизнес-процессы дата-центров. ЦОД приходится наращивать вычислительные ресурсы путем расширения парка серверов. Это ведет к увеличению энергопотребления в дата-центре, а значит росту расходов на электричество.

    Специалисты со всего мира занимаются разработкой новых технологий, которые бы позволили продлить действие закона Мура и одновременно увеличить производительность процессоров. Одной из таких технологий является металл-воздушный транзистор, который разработала команда из Мельбурнского королевского технологического университета (RMIT).

    Как работает металл-воздушный транзистор


    Транзистор имеет два металлических электрода, которые выполняют роли стока и истока. Работа устройства основывается на тех же принципах, что использовались в вакуумных транзисторах, но с одним отличием — новый транзистор работает в воздушной среде.

    В металл-воздушном транзисторе расстояние между электродами настолько мало — сток и исток находятся менее чем в 35 нанометрах друг от друга — что молекулы газов не успевают повлиять на частицы.

    По своей конструкции металл-воздушный транзистор напоминает классические полупроводниковые устройства MOSFET. «Обмен» электронами между стоком и истоком (которые заострены для усиления электрического поля) происходит из-за эффекта автоэлектронной эмиссии. Только затвор располагается не между стоком и истоком, а под ними. Сам затвор изолирован от системы тонкой оксидной пленкой.

    Перспективы технологии


    По словам руководительницы проекта Шрути Нирантар (Shruti Nirantar), технология «вдохнет жизнь» в закон Мура. Она позволит строить 3D-сети из транзисторов. В результате разработчики процессоров смогут перестать «гоняться» за миниатюризацией техпроцессов и сконцентрируются на реализации компактных 3D-архитектур. Эти архитектуры позволят размещать больше транзисторов на кристалле.

    Также новая технология увеличит производительность чипов. Специалисты уверены, что рабочая частота транзисторов составит несколько сотен гигагерц. Для сравнения: сейчас максимум для кремниевого компонента — 40 ГГц. Это позволит значительно увеличить производительность процессоров и оптимизировать серверные парки в дата-центрах.


    / фото Robert CC BY

    Сейчас для развития технологии важно найти финансирование для проведения дальнейших экспериментов. Команде специалистов нужно решить одну техническую сложность. Так как электроды транзистора имеют заостренную форму, под действием электрического поля они «плавятся», что снижает их эффективность. Проблему надеются исправить в ближайшие два года, подобрав оптимальную форму электродов, которая была бы менее подвержена этому эффекту.

    Другие технологии, которые должны продлить закон Мура


    Существуют и другие разработки, которые должны «растянуть» время действия закона Мура. Одна из них — спиновые транзисторы. Их работа основана на перемещении спинов электронов. Ток в такой системе формируется за счет поляризации спинов и упорядочивания их в одном направлении.

    Такие устройства потребляют в 10–100 раз меньше энергии, чем кремниевые транзисторы, а их максимальная плотность на чипе — в пять раз выше. Над реализацией технологии работает Intel. Однако о том, когда решение «выйдет из лаборатории», компания не сообщает.


    / фото Fritzchens Fritz PD / Intel Skylake

    Другое направление исследований — «волитроника», или valleytronics. Она предлагает использовать свет разной поляризации для управления электронами в максимальных и минимальных значениях уровня энергии, кодируя информацию.

    Команда специалистов из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли уже спроектировала подобное устройство на базе моносульфида олова. По словам разработчиков, технология поможет создать гибридные фотонно-электронные процессоры, которые будут обладать большей производительностью, чем традиционные устройства.

    Доподлинно неизвестно, когда все эти разработки применят в ЦОД или гаджетах для массового потребителя. Однако над некоторыми проектами уже работают крупные государственные организации. Например, собственным металл-воздушный транзистором занимается НАСА, а DARPA запустили программу грантов для разработчиков процессоров. Эксперты предполагают, что новые решения могут начать широко применяться в ближайшие десять лет.



    P.S. О чем еще мы пишем в первом блоге о корпоративном IaaS:


    P.S. Наши публикации в Telegram-канале:

    ИТ-ГРАД
    146,85
    vmware iaas provider
    Поделиться публикацией

    Комментарии 38

      +4
      Ученые создали высокоскоростной гибрид вакуумной лампы и транзистора
      1 июля 2012 ria.ru/20120701/689561375.html

      Вакуумный транзистор сможет преодолеть рубеж 1 ТГц
      24 июня 2014 habr.com/post/227433

      Ждем-с
        +6
        Будет как всегда
        Ученые создали высокоскоростной гибрид вакуумной лампы и транзистора
        1 июля 2012 ria.ru/20120701/689561375.html

        Вакуумный транзистор сможет преодолеть рубеж 1 ТГц
        24 июня 2014 habr.com/post/227433


        Металл-воздушный транзистор продлит действие закона Мура — как работает технология
        9 декабря 2018


        Металл-воздушный транзистор уже почти готов к внедрению в производство
        2026
          0
          Ждем следующую взрывную новость в 2042?
            +7
            «Идея воздушного транзистора отмечает свой 30-й день рождения!» от Ализара
          +1
          Ну черепичную запись в жестких дождались, лазерный подогрев тоже, жесткий УФ тоже, а тут всего в 12 году первый анонс — считай, вчера!

          Хотя 10ггц процессор всё ждём, да.
          +1

          Да фиг с ними с этими 7-5нм… Можно уже хотя бы 14нм начать продавать не за 400$ и не в таком дефиците. Неужели через 5 лет от выхода первых 14нм процов логистика и процесс производства не стали стоить в разы меньше.

            +1
            Капитальзмъ. Оно то, может, и стало стоить в разы меньше, но денег больше зарабатывается, когда продаешь по 400 баксов.
              0
              Оно-то, может, и стоило бы дешевле, да хватает только на тех, кто готов платить за них $400.
              +2
              А не востребовано. По сути, в гонке нанометров участвуют лишь CPU и GPU, вся базовая электроника довольствуется куда более грубыми и дешевыми техпроцессами, 60-90nm.

              Я не знаю, как в дата-центрах, но темпы обновления ПК за последние 10 лет сильно упали. Пятилетней давности топовый ПК все еще топ, а эконом все так же эконом и нет причин его заменять. Для экономического обоснования исполнения закона Мура, нужно чтобы все меняли свои ПК на новые раз в 2-3 года.
                0
                у меня ноут 10-тилетней давности. только новый диск поставил на терабайт, был 60г; память увеличил до 2г и проц заменил с коредуо на коре2дуо. впрочем это для него уже предел. но винда все таже родная ХРюшка.
                и не вижу смысла покупать новое железо пока это работает.
                  –1
                  Вы видимо не работали за экранами HDPI. После того как я пересел за такой, с ноута с 1376 x 768 обратно меня уже не затащишь. 8 гигов памяти хватает впритык, я не знаю как вы умудряетесь жить на 2-х гигах. Скорость доставки данных (usb 3, usb C, wifi ac) — все это уже прочно закрепилось в жизни. У вас этим ноутом наверное еще и кирпичи колоть можно? в отличие от современных тонких ноутах, которые живут по 6+ часов без заряда. А так нет, незачем железо менять. Давайте будем ездить на конях между городами, а чо? работает же технология.

                  Все сильно зависит от задач. И если ваша задача — носить с собой блокнот весом в пару килограмм — не решайте аналогично за других.
                    0
                    Может этот ноут узкоспецифическую задачу выполняет. Приткнут к станку и софт там только под XP и работает. В обычной жизни такое железо сейчас, это мазохизм. И FHD экран и SSD диск и свободная память и 4-6 ядер…
                      0
                      стоит как замена пк на столе, большую часть времени крутит торренты, перекидывает файлики на nas, отлично справляется с программированием мк в MpLab 8.90, позволяет выйти в веб с мозилки.
                      если и есть какието ограничения, то они скорее связаны с неадекватными запросами програмистов в корпоративном сговоре с производителями железа.
                      а для обычного пользователя нет никакого смысла в этой гонке.
                      –1

                      Нет и не может быть ничего экологичнее, чем — био. И да, лошадей могут позволить себе только свободные люди. А вы мечтайте об электроовцах.

                        +1
                        image

                        если ноут свои функции выполняет, зачем покупать новый? я и кнопочный телефон использовал до последнего, пока батарея не убилась, а новую купить уже было невозможно.

                        с другой стороны мне и не сильно нравится ситуация на рынке ноутов вследствии копроэкономики.
                          0
                          пишите тогда уж фразу что ноут выполняет нужные вам функции. От человека к человеку эти функции и задачи ой как разнятся и то чего достаточно вам никак недостаточно другому, поэтому в вашем микромире смысла покупать другое железо нет.
                            0
                            вы правильно заметили, в моём микромире 5й гейфон не устаревает сразуже после выхода 6го.
                            но что примечательно, старые программы порой перестают работать а новую версию уже невозможно установить или она ставица но занимает гораздо больше места и работает тормознутее, при этом по сути, выполняя теже самые функции — маркетолухи и програмизды себя без работы не оставят, а олень-юзверь за всё заплатит.
                    +1
                    AMD RYZEN 5 2600 170$, 12nm (~14nm в номенклатуре intel).
                      0

                      Должен же кто-то исследования по техпроцессам 7-5-3 нм оплачивать.

                        0

                        Дикари должны продолжать платить за стеклянные бусы. Ну или научиться самим варить стекло, но тогда придётся перестать быть дикарями. А теперь, внимание — вопрос: к чему стремится страна — бензоколонка?

                        +2
                        … TSMC (которые разрабатывают чипы для AMD) .....

                        FTGJ — не разрабатывает, а производит.
                          +1
                          То же хотел написать. Если чипы для них TSMC разрабатывает, то чем же тогда сама AMD занимается?
                          +5
                          А у меня-то была надежда, что из-за переставшего работать закона Мура весь ликующий кроссплатформенный мир около-JS впадёт в уныние, и вернётся к С++, а то и к Rust. Make Programming Great Again, так сказать.
                            0
                            А с чего бы ему возвращаться, если фрагментация по аппаратным и особенно программным платформам за последние 10 лет ни фига не уменьшилась и даже не думает уменьшатся?
                            +7
                            Ранее вакуум был нужен, чтобы электроны не сталкивались с молекулами воздуха и не теряли заряд.


                            «Электрон потерял свой заряд» — это новое слово в физике элементарных частиц.
                              +6
                              «Танк секретный, физики могли и не знать» (с)
                                0
                                А я не понял
                                Так как электроды транзистора имеют заостренную форму, под действием электрического поля они «плавятся»

                                Под действием поля или тока?
                                  0
                                  Просто, подъезжая к станции, слетела шляпа.
                                  0
                                  Идея вроде бы проста: воздух на нанометровых масштабах ничто иное, как вакуум. Но все портит адсорбция: на поверхности этого самого «вакуумного транзистора» будет в самом лучшем случае монослой адсорбированных молекул. Как-то оно работать будет, но вовсе не так, как задумывалось. А о воспроизводимости и стабильности характеристик и думать не приходится.
                                    +1
                                    Неожиданно вспомнился анекдот аж… очень старого года
                                    Как минимум в книге 2007-го года.

                                    Проходит выставка по достижениям в компьютерной технике. Представлены новейшие процессоры от Intel с частотой 3.6ГГц, AMD AthlonXP, а также впервые процессор Зеленоградского НПО «Электроника».
                                    Процессоры проходят тестирование по всем параметрам, и везде лидирует отечественное изделие. Эксперты в шоке.
                                    Приносят мощный микроскоп, кладут процессор. Один эксперт заглядывает и тут же падает в обморок от потрясения. Комиссия в недоумении. Другой эксперт долго смотрит в микроскоп, а потом, заикаясь, произносит:
                                    — Вы не поверите! Он ламповый!
                                      0

                                      В каждой шутке есть только доля шутки. Когда-то казались смешными горсть телевизоров в кармане у японца, драйвера на блок питания и интернет по талонам.

                                      0
                                      --Есть мнение, что закон Мура потерял свою актуальность. Последние несколько лет плотность транзисторов на кристалле увеличивается не так быстро

                                      Есть мнение, что люди уже забыли о чем закон Мура.

                                      «удвоение числа транзисторов будет происходить каждые два года» (Ц) 1975 год Гордон Мур

                                      Пока что он будет работать достаточно долго пока существуют пластины подложки диаметром 300мм. Хотя уже в планах 450 мм.
                                        +1
                                        Пока что он будет работать достаточно долго пока существуют пластины подложки диаметром 300мм. Хотя уже в планах 450 мм.
                                        Вообще-то, количество транзисторов на кристалле связано с размером пластины примерно никак, самый большой цельный кристалл, который сейчас выпускают (Nvidia GV100) имеет размеры 26x26 мм. Большой размер пластины только ускоряет производство в целом (за счёт большей обрабатываемой площади за одну операцию) и снижает количество «обрезков».
                                          0

                                          Большой размер пластины, кроме того, уменьшает выход брака, т.к. ближе к краям пластины больше дефектных участков.

                                            0
                                            ------связано с размером пластины примерно никак

                                            Никто же мешает увеличивать размер кристала.
                                            Пока техническое ограничение одно — размер пластины.
                                            Вполне можно делать SSD на всю длину материнской платы.
                                              +2
                                              Никто же мешает увеличивать размер кристала.
                                              Здравый смысл мешает. И размер пластины, внезапно, тоже мешает.
                                              Чем больше пластина, тем больше вероятность, что на ней найдётся хоть бы один дефект. На современных проектных нормах это около 100%. Кроме того, скорость распространения сигнала конечная, и сделать синхронную схему такого размера невозможно, всё равно будет куча отдельных ядер с межъядерной шиной, но тогда проще ядра делать небольшими кластерами, а шину использовать внешнюю. Тогда можно отобрать с пластины рабочие кристаллы и скомпоновать их как удобно, а не как получилось.
                                              Ну и литографическая маска тоже не резиновая, и это она определяет максимальный размер кристалла, но это уже мелочи.
                                              Вполне можно делать SSD на всю длину материнской платы.
                                              А зачем ей для этого обязательно быть на одном кристалле?
                                                0
                                                Хорошо не на одном кристалле. Мур говорил о чипе. Последний процессор от АМД имеет 9 кристаллов на чипе.

                                                image

                                                Ограничений на такой размер такого кирпича практически нет — еще несколько лет можно протянуть.
                                                  +1
                                                  Википедия однако:
                                                  An integrated circuit or monolithic integrated circuit (also referred to as an IC, a chip, or a microchip) is a set of electronic circuits on one small flat piece (or «chip») of semiconductor material, normally silicon.
                                                  Чип=кристалл… Ещё стоит посмотреть словарь откуда ясно, что чип=кусок… Чипсы тоже происходят от этого понятия… Т.е. чип = отрезанный кусок от заготовки подложки. Поэтому на фото у нас IC с 9 чипами на борту!!!
                                                  Ну сколько раз можно вопроизводить отечественную ересь когда микросхемы (ИС, IC) стали обзывать чипами, насмотревшись западного кино?

                                        Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                        Самое читаемое