Вопросы и ответы с двумя учеными, стремящимися преодолеть ограничения вычислительной мощности и энергоэффективности электроники путем разработки новых микрочипов.
Наши ноутбуки и смартфоны компактны, но в то же время эффективны благодаря кремниевой микроэлектронике, также известной как микрочипы или микросхемы, — крошечному мозгу, стоящему за цифровой мускулатурой почти каждого современного устройства.
Но за такое современное удобство приходится платить. К 2030 году около 25% мировой энергии — большая часть которых производится путем сжигания богатого углеродом ископаемого топлива — может потребляться электронными устройствами, если ничего не делать для повышения их энергоэффективности.
Кремниевые чипы происходят из конструкции, известной как CMOS, сокращение от комплементарного металл-оксид-полупроводник. Как впервые предсказал закон Мура в 1975 году, кремниевые микросхемы CMOS приближаются к пределу миниатюризации и производительности. На протяжении десятилетий ученые охотились за новыми электронными материалами, выходящим за рамки закона Мура, а также ограничений кремниевых КМОП-чипов.
Теперь ученые Морис Гарсия-Скиверес и Рамамурти Рамеш из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики США (Berkeley Lab) разрабатывают новые микрочипы, которые могут работать лучше и потреблять меньше энергии, чем кремний. В течение следующих трех лет они будут руководить двумя из 10 проектов, недавно награжден Министерство энергетики выделило почти 54 миллиона долларов на повышение энергоэффективности при разработке и производстве микроэлектроники.
Они обсуждают свои проекты в этом Q&A.
Вопрос: Чего вы надеетесь достичь в течение следующих 3 лет? Каково значение вашей работы?
Гарсия-Скиверес: Наш проект — «Совместное проектирование и интеграция нанодатчиков на КМОП» — направлен на повышение производительности за счет интеграции крошечных датчиков света, изготовленных из наноматериалов, в обычную интегральную схему КМОП (комплементарная металл-оксид-полупроводник). (Наноматериал — это материя, созданная в сверхмалом масштабе в одну миллиардную долю метра.)
КМОП-микросхемы сделаны из кремния, но если вы посмотрите, сколько энергии потребляет кремний, то увидите, что она становится значительной — и через десятилетие кремниевые микросхемы будут потреблять большую часть нашей энергии. Например, вычисления, необходимые для запуска беспилотного автомобиля, потребляют значительно больше энергии, чем энергия, необходимая для управления автомобилем. Нам нужно выполнять вычисления с меньшим энергопотреблением или повышать производительность без увеличения мощности, но вы не можете сделать это с кремниевыми чипами, потому что кремний должен работать при определенном напряжении, и эти физические ограничения обходятся нам дорого.
В нашем проекте датчиками света будут служить наноматериалы, такие как углеродные нанотрубки — устройства настолько маленькие, что они невидимы невооруженным глазом. Наносенсоры добавляют новые функциональные возможности КМОП-чипу, повышая производительность.
Датчики — хорошее начальное приложение, но при интеграции в чип углеродные нанотрубки могут также служить транзисторами или переключателями, обрабатывающими данные. Интеграция множества углеродных нанотрубок в кремниевый чип может привести к созданию новых видов электронных устройств, которые меньше по размеру и быстрее, а также более энергоэффективны, чем современные технологии.
Рамеш: В нашем проекте «Совместное проектирование сверхнизковольтной микроэлектроники на основе КМОП» мы планируем исследовать новые физические явления, которые приведут к значительному повышению энергоэффективности вычислений. Это важно, потому что мы считаем, что следующий закон Мура, вероятно, будет сфокусирован на шкале энергии, а не на шкале длины, поскольку мы уже находимся на пределе масштабирования длины.
Примерно в 2015 году потребление энергии от микроэлектроники составляло всего около 4-5% от общего объема первичной энергии в мире. Первичная энергия обычно означает химическую энергию, производимую электростанцией, работающей на угле или природном газе. Это обычно имеет эффективность преобразования в электричество 35-40%.
Наша растущая зависимость от искусственного интеллекта, машинного обучения и IoT — или Интернета вещей, где все связано электронным образом, например, наши системы дорожного движения, системы реагирования на чрезвычайные ситуации, возобновляемые источники энергии и системы электросетей — приведет к экспоненциальному увеличению количества электроники. с точки зрения систем.
Это означает, что к 2030 году потребление энергии от микроэлектроники прогнозируется на уровне не менее 25% от первичной энергии. Поэтому сделать электронику более энергоэффективной — это большое дело.
Для нашего проекта мы спрашиваем: «Какие фундаментальные инновации в области материалов могут значительно снизить энергопотребление микроэлектроники?» Мы смотрим на совершенно другую структуру, которая исследует новую физику с использованием подхода совместного проектирования, в котором ведущие мировые эксперты в области физики материалов, проектирования устройств и схем, изготовления и тестирования, а также архитектуры на уровне микросхем работают в сотрудничестве, чтобы реализовать из целостного исследования путей к вычислениям следующего поколения.
В: Какие новые приложения будут доступны в вашей работе и как вы продемонстрируете эти новые возможности?
Гарсия-Скиверес: Наша работа продемонстрирует однофотонный формирователь изображения, который может измерять спектр — длину волны или энергию — каждого отдельного фотона или световой частицы, которую он обнаруживает. Это позволяет получать гиперспектральные изображения, то есть изображения, в которых каждый пиксель можно разложить на множество цветов, предоставляя гораздо больше информации. Гиперспектральная визуализация приносит пользу широкому кругу наук, от космологии до биологических изображений.
Спектроскопический эксперимент темной энергии (англ.датчики, используемые для этих видов наблюдений, работают при температуре менее 1 градуса выше Последующая совместная работа с исследователями из Intel показала, как это можно использовать для создания нового класса устройств логики в памяти, называемых устройством MESO, которые используют вращения для выполнения логических операций.
В одном из наших проектов в рамках нашей программы мы будем использовать наш магнитоэлектрический материал для изучения мультиферроидных элементов, которые будут работать при напряжении 100 милливольт, что приведет к значительному снижению потребления энергии. (Милливольт — это одна тысячная вольта.)
Наш второй проект исследует фундаментальную физику конденсаторного устройства, в котором ферроэлектрический слой накладывается на обычный кремниевый транзистор для повышения его энергоэффективности за счет так называемого эффекта отрицательной емкости. Наша разработка позволила бы микроэлектронному устройству выполнять как функции памяти, так и логические функции. Этот подход радикально отличается от чипов в наших современных компьютерах, где один тип чипа выполняет логику или обработку данных, а другой чип хранит данные.
"Совместное проектирование и интеграция нано-сенсоров на CMOS» является результатом сотрудничества между исследователями из лаборатории Беркли, Национальной лаборатории Сандия и Калифорнийского университета в Беркли. В число главных исследователей входят Вейлун Чао, Стив Холланд, Ми-Янг Им, Тевье Куйкендалл, Франсуа Леонар, Юань Мэй, Эндрю Нонака, Катерина Пападопулу, Грег Тихомоиров, Арчана Раджа, Рикардо Руис и Джеки Яо.
«Совместное проектирование сверхнизковольтной микроэлектроники сверхнизкого напряжения» — это результат сотрудничества исследователей из лаборатории Беркли и Калифорнийского университета в Беркли. В число главных исследователей входят Шинейд Гриффин, Лейн Мартин, Лаванья Рамакришнан, Сайеф Салухуддин, Падраик Шафер, Джон Шалф, Дилип Васудеван и Джеки Яо.
