Архив за год - Журнал "Компьютерра"

Автор: Галактион Андреев
Опубликовано в журнале "Компьютерра" №16 от 26 апреля 2005 года.

В прошлом номере я опрометчиво написал, что закона Мура не существует, однако проблем у производителей чипов от этого меньше не стало, и если они не придумают что-то новое (как делали уже не раз), то в отдаленном, но вполне различимом будущем столкнутся с ограничениями существующих технологий вплотную. Так что придумывать что-то новое нужно уже сейчас, а лучше — еще вчера. Что?
Исследователи из Стэнфордского университета полагают, что знают ответ на этот вопрос. И ответ их таков: плазмоны. — В.Г.

В сегодняшних процессорах корпорации Intel, производимых по технологии 90 нм, самые тонкие медные соединения между транзисторами имеют толщину 150 нм и располагаются с шагом 220 нм. В процессорах следующего поколения, с технологическими нормами 65 нм, толщина проводников увеличится до 170 нм, а плотность расположения может быть уменьшена лишь незначительно — до 210 нм. И это несмотря на применение более совершенного диэлектрика, снижающего паразитную емкость между проводниками.

Дело в том, что с уменьшением сечения проводников растет их сопротивление R, а с уменьшением расстояния между ними увеличивается паразитная емкость C, и, как следствие, катастрофически растут задержки в распространении сигнала, которые равны произведению этих двух величин RC. А вместе с задержками повышается тепловыделение чипа и снижается доступная ему частота. Складывается парадоксальная ситуация. По мере совершенствования полупроводниковой технологии размеры транзисторов уменьшаются гораздо быстрее, чем приемлемое сечение проводников. В результате при 65-нм технологии длина затвора транзистора (35 нм) уже почти на порядок меньше ширины проводника. И что будет в чипах следующих поколений? А с появлением нанотехнологий, которое уже не за горами? Получается, что медные провода все равно съедят большую часть полезной площади чипа и уменьшать размеры транзисторов почти бессмысленно. Еще пять лет назад IBM и Intel располагали опытными образцами транзисторов, способными работать на частотах более терагерца, то есть тысячи гигагерц, а мы и сегодня топчемся в районе нескольких гигагерц. Все понимают, что надо что-то делать, коренным образом изменив способ передачи информации внутри чипа. Но что?

Свет в конце туннеля

Казалось бы, прекрасным решением могло бы стать использование для передачи данных (по крайней мере, из одного конца чипа в другой) хорошо отработанной оптоволоконной технологии. Частота видимого света порядка шестисот терагерц, к тому же в одно волокно можно впихнуть огромное количество параллельных каналов. Сигнал распространяется со скоростью света и почти не затухает, а значит, не выделяет тепла. Волокна, например, из окиси кремния (SiO₂) обладают превосходными оптическими свойствами и неплохо сочетаются с традиционной кремниевой технологией. Однако тут есть два больших «но».

Во-первых, свет надо чем-то излучать. Значит, нам нужен кремниевый лазер (впрочем, о создании кремниевого лазера Рамана в марте 2005 года сообщила компания Intel). А во-вторых, и это более существенно, есть принципиальное ограничение на допустимый поперечный размер оптоволокна: он не может быть меньше длины световой волны (~ 500 нм). И если сегодня эта цифра еще сопоставима с размерами самых толстых процессорных проводников (1080х975 нм), то завтра… Да и за что бороться, если все равно не удается существенно уменьшить размеры соединений?

Выходы из тупиковой ситуации ищут многие исследователи — в частности, объединенная команда из нескольких научных групп Стэнфордского университета (www.stanford.edu/group/BrongersmaGroup/research.html). Команда располагает солидной поддержкой бюро финансирования исследований ВВС США, грантами Национального научного фонда и ряда других организаций. Публикации об этой работе довольно скупы, но основная идея проекта все же ясна. Необходимо «впихнуть» электромагнитные колебания оптических частот в структуры, размеры которых много меньше длины световой волны, и с их помощью передавать информацию внутри кремниевого чипа. Конечная цель проекта весьма амбициозна — группа должна продемонстрировать работоспособный образец, состоящий из передатчика, линии и приемника, изготовленных в рамках обычной кремниевой технологии. Каждый из этих трех компонентов, утверждают ученые, уже существует по отдельности, и осталось лишь объединить их.

Разумеется, «в чистом виде» электромагнитные колебания оптической частоты принципиально не могут быть загнаны в прокрустово ложе нанотехнологий. То же справедливо и для традиционных оптических волокон, материал которых высокопрозрачен, то есть слабо взаимодействует с электромагнитным полем. Поэтому и свойства электромагнитных волн в нем мало чем отличаются от свойств света в вакууме. Однако в твердых телах или вблизи их поверхности имеется целый набор так называемых коллективных колебаний электромагнитного поля с оптической частотой. Среди них встречаются волны значительно меньшей длины, они не требуют широкого волновода и даже обладают другими свойствами, которые делают их подходящими кандидатами для передачи информации.

Коллективные колебания подчиняются законам квантовой механики и удобно описываются с помощью тех или иных квазичастиц — фононов, плазмонов, ротонов, экситонов и прочих «онов», коих сегодня открыт целый зоопарк. Свойства квазичастиц во многом напоминают свойства обычных элементарных частиц. Им можно приписать длину волны, энергию, импульс, массу и скорость с приставкой «квази». Они рождаются и умирают, превращаясь друг в друга и иногда в обычные частицы по строго определенным законам. Впрочем, зачастую, например, термины «плазмон» и «волна плазменных колебаний» используют как синонимы.

В данном случае нас будут интересовать поверхностные плазмоны (поляритоны), поскольку они, а точнее, их комбинация больше всего похожи на те волны, которые собирается использовать стэнфордская команда.

Мы попросили прокомментировать статью Александра Михайловского, исследователя из лаборатории оптической характеризации при факультете химии и биохимии Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (www.chem.ucsb.edu/~ocf). Александр очень помог нам в подготовке этой статьи, однако к самой идее плазмонных компьютеров он относится прохладно.

— На мой взгляд, эта технология находится примерно на той же стадии развития, что и квантовый, и оптический компьютер (photonic crystal computer[См. также статью Ю. Романова «Фотонная схемотехника» («КТ» #407). — Прим. ред.]). Пока продемонстрированы лишь операции с простейшими составляющими: волноводами, переключателями и т. д. К задачам более высокого уровня исследователи еще не подступались. Как и в случае с квантовым компьютером, с масштабированием этой технологии дела пока обстоят неважно.

Работа стэнфордской группы не является научным прорывом. Практически все, что они опубликовали, было известно другим исследователям, работающим в той же области. Усилия стэнфордцев сфокусированы на разработке производственной технологии, а их поддержка со стороны армии означает, что некоторые лица в правительстве США верят в будущее таких технологий, хотя это, конечно, еще не доказывает перспективности выбранного подхода. Я не ожидаю, что плазмонная технология будет доступна для коммерческого применения в ближайшие пять лет.

Вы также можете ознакомиться с работами Марка Стокмана (Университет Джорджии, www.phy-astr.gsu.edu/stockman), который раньше работал в Новосибирске. Стокман — один из основателей направления по изучению поверхностных плазмонов.

Нежные плазмоны

Поверхностные плазмоны — это кванты колебаний плотности свободных электронов металла на его границе с диэлектриком. Плазмоны распространяются вдоль поверхности металла(Скорость распространения плазмонов зависит от их частоты: высокочастотные плазмоны очень медлительны. — Здесь и далее прим. Александра Михайловского), и способны пробежать около миллиметра, прежде чем колебания затухнут. Этого, конечно, недостаточно для современных процессоров, размеры которых раз в десять больше, но не так уж и мало, поскольку на квадратном миллиметре чипа сегодня помещается десять миллионов транзисторов. Впрочем, есть вполне обоснованные надежды, что длину пробега плазмонов удастся значительно увеличить (Это определенно возможно для низкочастотных плазмонов, хотя как раз они не слишком привлекательны для производства ИС).

Плазмоны — создания весьма нежные. Для их распространения нужна идеально гладкая поверхность. Любые неровности, примеси или дефекты в металле способны сильно испортить плазменные колебания. Плазмоны затухают, излучая электромагнитные волны в пространство или просто нагревая металл. Нам нужно точно знать, сильно ли будут нагреваться чипы с плазмонными соединениями и как далеко можно будет передать сигнал. От потерь на излучение нетрудно избавиться, сделав из двух параллельных пластин подобие волновода и пустив плазмоны по гладкой внутренней поверхности.

Любопытно, что дешевый и технологичный алюминий, от применения которого в процессорах пришлось отказаться в пользу лучше проводящей меди, наоборот, заметно лучше меди «проводит» поверхностные плазмоны. Впрочем, вполне возможно, что удастся отыскать сплав, который будет предпочтительнее алюминия.

В физических экспериментах поверхностные плазмоны обычно возбуждают, направив на поверхность металла луч лазера под определенным углом и в надлежащих условиях. В чипах такой способ, разумеется, неприемлем. Кроме того, граница металл-вакуум тоже плохо вяжется с современной процессорной технологией. Поэтому вместо вакуума ученые планируют возбуждать плазмоны на границе металл-диэлектрик (Вакуум является идеальным диэлектриком. В тех случаях, когда с плазмонами используются другие диэлектрики, свойства плазмонов (скорость, потери энергии, дальность распространения) могут меняться).

Имея слой диэлектрика, уже гораздо проще изготовить волновод для поверхностных плазмонно-поляритонных волн, попросту окружив диэлектрик металлом и поместив весь бутерброд на подложку. Полупроводниковый приемник волн естественно расположить в конце волновода между слоями металла (рис. 1). Оказалось, что свойства волн в такой конструкции во многом похожи на свойства электромагнитных колебаний в обычных оптических волноводах. Ученым удалось создать упрощенную теорию и эффективные алгоритмы расчета подобных конструкций.

Куплю излучатель. Недорого

Впрочем, параллельные пластины — далеко не единственное из возможных устройств. В литературе описаны конструкции с размерами, много меньшими длины световой волны, из упорядоченного массива металлических наночастиц. Они успешно «проводили» колебания оптической частоты, образуя что-то похожее на оптический кристалл. Если попытаться как-то назвать волны — квазичастицы оптических частот в такой структуре, то уж точно язык сломаешь. Возможно, что именно в таких периодических структурах, где имеется большой простор в выборе геометрии и размеров наночастиц, ученым удастся добиться наибольшей длины распространения колебаний и минимального тепловыделения.

По всей видимости, самым тонким местом всей системы является эффективный излучатель плазмонов (так для простоты будем называть те поверхностные волны, которые мы возбуждаем). Излучатель должен работать на оптической частоте и быть совместим с кремниевой технологией. Кроме того, должен существовать эффективной способ модуляции колебаний для передачи информации. Одним из решений, считают стэнфордцы, может стать генератор плазмонов на туннельном переходе (рис. 2). Однако многие специалисты весьма скептически относятся к этой идее, считая, что создать такой генератор ничуть не проще, чем кремниевый лазер.

Пока, конечно, трудно сказать, смогут ли ученые реализовать передачу данных с применением плазмонов в кремниевых чипах. А если дело пойдет успешно, стоит ли все время преобразовывать информацию из электронной формы в плазмонную и обратно. Почему бы не выбросить лишнее звено? В той же научной группе есть наработки по оптическим аналогам логических переключателей, которые, возможно, удастся реализовать и на плазмонах. Тогда и транзисторы можно будет выкинуть, сделав весь чип плазмонным, сочетая при этом скорости оптических микросхем с размерами современных кремниевых чипов.

Но не будем загадывать слишком далеко вперед, пока речь идет лишь об этапе исследований, цель которого — создать прототип, демонстрирующий работоспособность концепции. И даже в случае успеха — от концепции до массового производства еще очень длинный и тернистый путь.

В феврале двое ученых из Университета Пенсильвании, Андреа Алу и Надер Энгета (Andrea Alu и Nader Engheta), опубликовали статью (arxiv.org/abs/cond-mat/0502336), в которой предложили использовать плазмонное покрытие для того, чтобы делать объекты невидимыми. Покрытие из плазмонов снижает рассеивание света от объекта вплоть до «невидимого» уровня.

Пока о внедрении предложенной технологии, конечно, и речи нет, но даже если удастся довести теоретические изыскания до промышленного внедрения, то чудес ожидать не стоит. Ни плащей-невидимок, ни прочих сказочных атрибутов, выручающих незадачливого протагониста в щекотливых ситуациях, ждать не стоит. Судя по всему, плазмонное покрытие будет работать, в первую очередь, на микроскопических объектах, тогда как объекты макромира в лучшем случае окажутся невидимыми для микроволнового излучения (люди) или для радиоизлучения (самолеты или космические корабли). Впрочем, пока даже сами авторы идеи не горят желанием рассуждать о столь далеких перспективах:

«Те же самолеты — это объекты сложной формы, сделанные из разных материалов, и я не знаю, насколько наша концепция может быть к ним применима, — говорит Энгета. — Сейчас наши исследования находятся лишь в начальной стадии, и прежде чем обсуждать любые практически сценарии, следует найти ответы на несколько важных вопросов».