Самый маленький транзистор в процессоре

Обновлено: 08.07.2024

Новый 2-нм техпроцесс IBM обеспечивает плотность транзисторов, аналогичную 3-нм TSMC нового поколения.

Джим Солтер — 7 мая 2021 г., 11:42 UTC

комментарии читателей

Поделиться этой историей

Эта пластина содержит сотни простых прототипов микросхем, созданных по новому 2-нм техпроцессу на исследовательском заводе IBM в Олбани.

Просвечивающая электронная микроскопия дает нам подробные сведения о транзисторах с тройным стеком GAA (Gate-All-Around) в новом процессе.

В четверг IBM объявила о прорыве в разработке интегральных схем: первом в мире 2-нанометровом техпроцессе. IBM заявляет, что ее новый процесс может производить процессоры, производительность которых на 45 % выше, а энергопотребление на 75 % ниже, чем у современных 7-нанометровых процессоров.

Если вы следили за последними новостями о процессорах, вы, вероятно, знаете, что текущие процессоры Intel для настольных ПК по-прежнему работают на 14-нм техпроцессе, в то время как компания изо всех сил пытается завершить переход на 10-нм техпроцесс, а ее конкуренты сильно отстают. меньшие процессы, причем самыми маленькими производственными чипами являются новые процессоры Apple M1 с 5-нм техпроцессом. Менее ясно, что именно это означает в первую очередь.

Первоначально размер процесса относился к буквальному двухмерному размеру транзистора на самой пластине, но современные процессы изготовления 3D-чипов изменили его. Литейные заводы по-прежнему относятся к размеру процесса в нанометрах, но это «двухмерный эквивалентный показатель», слабо связанный с реальностью, и его истинное значение варьируется от одного производителя к другому.

Чтобы лучше понять, как устроен новый 2-нм техпроцесс IBM, мы можем взглянуть на плотность транзисторов. Информация о производственном процессе взята из Wikichip, а информация о техпроцессе IBM предоставлена доктором Яном Катрессом из Anandtech. Катресс попросил IBM перевести «размер с ноготь» — площадь, достаточную для размещения 50 миллиардов транзисторов с использованием нового процесса на 150 квадратных миллиметрах.

Производитель	Пример	Размер процесса	Пиковая плотность транзистора (млн/кв. мм)< /td>
Intel	ЦП Cypress Cove (для настольных ПК)	14 нм	45
Intel	Процессоры Willow Cove (для ноутбуков)	10 нм	100
AMD (TSMC)	ЦП Zen 3	7 нм	91
Apple ( TSMC)	ЦП M1	5 нм	171
Apple (TSMC)	ЦП Apple следующего поколения, около 2022 г.	3 нм	~292 (приблизительно)
IBM	6 мая прототип IC	2 нм	333

Как вы можете видеть на приведенной выше диаграмме, простой показатель "нанометр" довольно сильно варьируется от одного литейного производства к другому, в частности, процессы Intel имеют гораздо более высокую плотность транзисторов, чем подразумевает показатель "размер процесса", с его 10-нм процессоры Willow Cove примерно на одном уровне с 7-нм деталями, произведенными в литейных цехах TSMC. (TSMC производит процессоры для AMD, Apple и других крупных клиентов.)

Хотя IBM утверждает, что новый процесс может "в четыре раза увеличить срок службы батареи сотового телефона, требуя от пользователей заряжать свои устройства только каждые четыре дня", еще слишком рано приписывать конкретные характеристики мощности и производительности чипам, разработанным на основе нового процесса. Сравнение плотности транзисторов с существующими технологическими процессами также, похоже, лишает IBM некоторых преимуществ. Сравнивать новый дизайн с 7 нм TSMC – это правильно, но 5-нм техпроцесс TSMC уже запущен в производство, а 3 нм техпроцесс с очень похожей плотностью транзисторов готовится к выпуску в следующем году.

У нас пока нет объявлений о реальных продуктах, находящихся в разработке для нового процесса. Однако в настоящее время IBM сотрудничает как с Samsung, так и с Intel, которые могут интегрировать этот процесс в свое будущее производство.

Закон Мура замедляется, а это означает, что десятилетия непрерывного совершенствования вычислительной мощности подходят к концу, как нам говорят. Однако по мере того, как становится все дороже, а это настоящая проблема с законом Мура, для создания еще меньших кремниевых транзисторов для компьютерных чипов исследователи во всем мире нашли способы настолько раздвинуть границы транзисторов, что сегодня у нас есть 5 нм, 3-нм, 1-нм, 0,5-нм, жидкие, молекулярные и даже одноатомные транзисторы в лабораториях. Но после нового анонса даже эти транзисторы кажутся огромными после того, как ученые разработали транзистор размером всего в один фотон. Что делает прорыв еще более экстраординарным, так это тот факт, что из-за гиковского физического «факта» фотографии на самом деле не частицы, а волны, что на самом деле означает, что впервые ученые создали транзистор, который буквально нет размера. Например, 0нм. Ничего. Нада. А с развитием транзисторов вряд ли кто-то побьет этот рекорд в ближайшее время.

Транзисторы – это крошечные переключатели, составляющие основу современных вычислений. Например, миллиарды таких транзисторов направляют электрические сигналы внутри смартфона, и будущим квантовым компьютерам, которые в сотни миллионов раз мощнее современных, потребуются аналогичные устройства. оборудование для обработки квантовой информации. Но конструктивные ограничения для этой новой технологии очень строгие, и, как бы мы ни старались, даже самые современные процессоры не могут быть перепрофилированы в квантовые устройства. Это связано с тем, что носители квантовой информации, называемые кубитами, должны следовать другим правилам, изложенным в квантовой физике.

Исследователи демонстрируют первый однофотонный транзистор на основе полупроводникового чипа. Они использовали один фотон, хранящийся в квантовой памяти, для переключения состояния других фотонов. (Источник: Э. Эдвардс/JQI)

Ученые могут использовать в качестве кубитов многие виды квантовых частиц, даже фотоны, из которых состоит свет. Фотоны стали еще более привлекательными, потому что они могут быстро передавать информацию на большие расстояния и совместимы с искусственными чипами. Однако создание квантового транзистора, запускаемого светом, оказалось непростой задачей, поскольку для этого требуется, чтобы фотоны взаимодействовали друг с другом, что обычно не происходит само по себе.

Теперь исследователи из Объединенного квантового института (JQI) под руководством Эдо Вакса, научного сотрудника JQI, преодолели это препятствие и продемонстрировали первый однофотонный транзистор с использованием полупроводникового чипа. Устройство, описанное в журнале Science, компактно: примерно один миллион этих новых транзисторов может поместиться в одной крупице соли, а также оно быстрое — способно обрабатывать 10 миллиардов фотонных кубитов каждую секунду!

"Используя наш транзистор, мы должны иметь возможность выполнять квантовые вентили между фотонами", – говорит Вакс. «Программное обеспечение, работающее на квантовом компьютере, будет использовать ряд таких операций для достижения экспоненциального ускорения для определенных вычислительных задач.

Фотонный чип сделан из полупроводника с многочисленными отверстиями, что делает его очень похожим на соты. Свет, попадая на чип, отражается и попадает в ловушку рисунка отверстий; небольшой кристалл, называемый квантовой точкой, находится внутри области, где интенсивность света наибольшая. По аналогии с обычной компьютерной памятью точка хранит информацию о фотонах, когда они попадают в устройство. Точка может эффективно подключаться к этой памяти для взаимодействия фотонов, а это означает, что действия одного фотона влияют на другие, которые позже достигают чипа.

«В однофотонном транзисторе память квантовых точек должна сохраняться достаточно долго, чтобы взаимодействовать с каждым фотонным кубитом», — говорит Шуо Сун, ведущий автор новой работы, научный сотрудник Стэнфордского университета. «Это позволяет одному фотону переключать больший поток фотонов, что необходимо для того, чтобы наше устройство считалось транзистором».

Чтобы проверить, что чип работает как транзистор, исследователи изучили, как устройство реагирует на слабые световые импульсы, которые обычно содержат только один фотон. В обычной среде такой тусклый свет едва ли заметен. Однако в этом устройстве одиночный фотон надолго задерживается, регистрируя свое присутствие в ближайшей точке.

Команда обнаружила, что один фотон может, взаимодействуя с точкой, контролировать передачу второго светового импульса через устройство. Первый световой импульс действует как ключ, открывая дверь для второго фотона, чтобы войти в чип. Если первый импульс не содержал фотонов, точка блокировала последующие фотоны. Это поведение похоже на обычный транзистор, где небольшое напряжение управляет прохождением тока через его клеммы. Здесь исследователи успешно заменили напряжение одним фотоном и продемонстрировали, что их квантовый транзистор может переключать световой импульс, содержащий около 30 фотонов, до того, как закончится память квантовой точки.

Вакс, который также является профессором Университета Мэриленда, говорит, что его команде пришлось протестировать различные аспекты производительности устройства, прежде чем заставить транзистор работать.

"До сих пор у нас были отдельные компоненты, необходимые для изготовления одного фотонного транзистора, но здесь мы объединили все этапы в одном чипе", – говорит Вакс.

Сан говорит, что с реалистичными инженерными улучшениями их подход может позволить соединить вместе множество так называемых квантовых световых транзисторов (QLT). квантовые компьютеры, похожие на настольные компьютеры, как я уже говорил ранее.

Связанные

Представлен первый универсальный язык программирования для квантовых компьютеров

Ученые создали похожий на мозг нейротранзистор, который обучается сам по себе

Мэттью Гриффин

Мэттью Гриффин, которого называют «советником, стоящим за советниками» и «молодым Курцвейлом», является основателем и генеральным директором World Futures Forum и 311 Institute, глобальной консалтинговой компании по вопросам будущего и глубокого будущего, работающей в период с 2020 года. до 2070 года, отмеченный наградами футуролог и автор серии «Кодекс будущего». Мэтью регулярно упоминается в глобальных СМИ, включая AP, BBC, Bloomberg, CNBC, Discovery, RT, Viacom и WIRED, и его способность выявлять, отслеживать и объяснять влияние сотен новых революционных технологий на глобальную культуру, промышленность и общество. не имеет себе равных. Мэтью, признанный за последние шесть лет одним из ведущих мировых футуристов, экспертов по инновациям и стратегии, является международным спикером, который помогает правительствам, инвесторам, транснациональным корпорациям и регулирующим органам во всем мире представлять, строить и руководить инклюзивным, устойчивым будущим. Недавняя работа Мэтью с редким талантом включает в себя наставничество команд Lunar XPrize, переосмысление глобального образования и обучения с G20, а также помощь крупнейшим мировым организациям в представлении и представлении будущего их продуктов и услуг, отраслей и стран. В число клиентов Мэтью входят три премьер-министра и несколько правительств, в том числе G7, Accenture, Aon, Bain & Co, BCG, Credit Suisse, Dell EMC, Dentons, Deloitte, E&Y, GEMS, Huawei, JPMorgan Chase, KPMG, Lego, McKinsey, PWC. , Qualcomm, SAP, Samsung, Sopra Steria, T-Mobile и многие другие.

Если вы покупаете что-то по ссылке Verge, Vox Media может получить комиссию. Ознакомьтесь с нашим заявлением об этике.

Поделиться этой историей

Поделиться всеми вариантами обмена для: Самый маленький в мире транзистор имеет длину 1 нм, к черту физику

Intel 22nm Haswell умирает

Размер транзистора – важная часть совершенствования компьютерных технологий. Чем меньше ваши транзисторы, тем больше вы можете уместить на чипе и тем быстрее и эффективнее может быть ваш процессор. Вот почему это такая большая новость, что команда из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли успешно построила функциональный транзисторный затвор длиной 1 нанометр, который, по утверждению лаборатории, является самым маленьким рабочим транзистором из когда-либо созданных.

В течение многих лет компьютерная индустрия подчинялась закону Мура, который гласит, что количество транзисторов в полупроводниковой схеме удваивается каждые два года. В технологиях текущего поколения используется технология масштаба 14 нм. В 2017 или 2018 году ожидается выпуск 10 нм полупроводников, таких как линейка продуктов Intel Cannonlake.

Заглядывая в будущее, закон Мура начинает сталкиваться с проблемами

Но заглядывая в будущее, закон Мура начинает сталкиваться с проблемами. И под неприятностями я подразумеваю законы физики. Видите ли, хотя 7-нанометровый узел технически возможен из кремния, после этого вы сталкиваетесь с проблемами, когда кремниевые транзисторы меньше 7 нм становятся настолько физически близкими друг к другу, что электроны испытывают квантовое туннелирование. Таким образом, вместо того, чтобы оставаться в предполагаемом логическом элементе, электроны могут непрерывно течь от одного элемента к другому, что по существу делает невозможным для транзисторов находиться в выключенном состоянии.

Суджай Десаи/Калифорнийский университет в Беркли

И хотя такие компании, как Intel, первоначально объявили, что они будут изучать другие материалы для производства полупроводников с техпроцессом 7 нм и выше, исследовательская группа лаборатории Беркли опередила их, используя углеродные нанотрубки и дисульфид молибдена (MoS_{2< /sub> ) для создания транзистора размером менее 7 нм. MoS₂ функционирует как полупроводник, а полая углеродная нанотрубка действует как ворота для управления потоком электронов.}

Исследование здесь все еще находится на очень ранней стадии

Тем не менее, исследования здесь все еще находятся на очень ранней стадии. При 14-нм техпроцессе на одном кристалле находится более миллиарда транзисторов, и команде Berkley Lab еще предстоит разработать жизнеспособный метод массового производства новых 1-нм транзисторов или даже разработать чип с их использованием. Но только как доказательство концепции результаты здесь по-прежнему важны: новые материалы могут по-прежнему обеспечивать меньшие размеры транзисторов, а вместе с этим увеличивать мощность и эффективность компьютеров будущего.

Закон Мура не работает перед лицом физических ограничений того, что можно сделать с кремнием. Теперь транзистор нового типа обещает продлить его жизнь, хотя производители чипов уже планируют, как справиться с ситуацией, когда он, наконец, сдохнет.

Проблема, с которой в настоящее время сталкивается разработка микросхем, к сожалению, связана с самой физикой. Используя кремний, невозможно создать транзистор, в котором размер затвора — части транзистора, которая включается и выключается для управления потоком электронов — меньше семи нанометров. Сделайте их немного меньше, и электроны смогут перемещаться между транзисторами посредством процесса, известного как квантовое туннелирование. Это означает, что транзистор в выключенном состоянии может неожиданно включиться, даже если этого не должно быть.

Это накладывает теоретическое ограничение на закон Мура — идею о том, что количество транзисторов, которые могут поместиться на чипе, удваивается каждые два года или около того. Но теперь исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли под руководством предыдущего новатора TR в возрасте до 35 лет Али Джави создали то, что считается самым маленьким рабочим транзистором в мире.

Али Джавей (слева) и Суджей Десаи создали самый маленький в мире транзистор.

Публикуя свои достижения в журнале Science, исследователи объясняют, что устройство было построено с использованием углеродных нанотрубок и дисульфида молибдена, создавая транзистор с длиной затвора всего в один нанометр. Это впечатляющее достижение, и — по крайней мере теоретически — это означает, что можно было бы втиснуть в чип гораздо больше маленьких переключателей, чем когда-либо можно было бы получить с помощью кремния. Для некоторого контекста современные чипы используют транзисторы с 14-нанометровым затвором, а 10-нанометровые чипы находятся на подходе.

Однако результат — всего лишь доказательство концепции — до жизнеспособного продукта еще далеко. Превращение этих нанотрубчатых транзисторов в процессор потребует надежного создания миллиардов переключателей на одном чипе. Это возможно, но это также может быть ужасно дорого.

Действительно, производители чипов уже признали, что готовы к тому, что транзисторы перестанут уменьшаться в размерах. Ранее в этом году Ассоциация полупроводниковой промышленности, в которую входят такие компании, как Intel, AMD и Global Foundries, опубликовала отчет, в котором говорится, что к 2021 году дальнейшее уменьшение размера кремниевых транзисторов будет экономически неэффективным. Вместо этого фишки, похоже, будут меняться по-разному.

Мы уже наблюдаем раскол в индустрии процессоров: переход от сверхбыстрого универсального оборудования к более специализированным чипам. С этой целью Intel недавно купила Movidius, компанию, производящую микросхемы, предназначенные для задач компьютерного зрения. Тем временем Nvidia продает специализированные чипы искусственного интеллекта отрасли, стремящейся извлечь выгоду из машинного обучения.

Более эффективные конструкции микросхем также помогут повысить скорость вычислений при снижении энергопотребления. Microsoft и Intel работают над использованием реконфигурируемых микросхем, известных как FPGA, например, для более эффективного запуска алгоритмов искусственного интеллекта. А японская телекоммуникационная и интернет-компания SoftBank недавно приобрела британского разработчика чипов ARM за ее невероятно успешные маломощные чипы, которые обеспечат вычислительную мощность для растущего числа аппаратных средств Интернета вещей.

Менее специализированные процессоры, скорее всего, изменят форму для увеличения вычислительной мощности. Чипы будут все чаще использовать несколько слоев схем, например, для увеличения плотности транзисторов. Или, может быть, они могли бы сократиться, используя прорыв лаборатории Беркли для достижения тех же целей.

Читайте также: