Процессорные технологии: настоящее и будущее

Казалось бы, технологии быстро развиваются, и мир преображается буквально на глазах. Впрочем, действительно каких-то десять лет назад всё было далеко не так, как сейчас. В то же время за столь радужным, на первый взгляд, впечатлением скрывается и весьма серьезная головная боль для светил науки, связанная именно с возможностью дальнейшего развития технологий полупроводников. И касается это в первую очередь основного звена всех электронных систем — процессора.

На прошедшей выставке IFA в Берлине компания Intel представила миру новые процессоры Broadwell, созданные уже по техпроцессу 14 нм. В то же время компания TSMC из Тайваня запланировала уже в 2018 году начать эксперименты по созданию процессоров по еще более малому техпроцессу — 10 нм. Но проблема всё же в том, что кремнию, из которого создаются процессоры, необходима замена, так как технологии изготовления требуют других материалов, иного подхода к созданию и обработке их.

Но обо всём по порядку, дабы разобраться, в чем смысл теплоизоляции для теплого водяного пола и какие пути планируются для их выполнения. Несложно понять, что процессоры вскоре будут создавать и по более малым техническим процессам, то есть почти 4-2 нм или даже того меньше — атом. Металл вызывает при этом большое количество утечек тока, а потому даже графен не может использоваться, так как является полуметаллом. А значит, металл как основной элемент и требует замены. Об этом рассказали ученые Ратгерского университета, которые совместно с сотрудниками Лос-Аламосской национальной лаборатории трудятся над возможностью использования разных компонентов в производстве.

Несмотря на утечки тока, для графеновых транзисторов решили создавать новое управление, которое будет учитывать независимое от напряжения течение тока. В результате прототипы создали, но для коммерческого использования их адаптировать не удалось. Понятное дело, лаборатория — не промышленное производство.

Затем ученые обратили внимание на то, что есть вероятность заменить кремний и графен на новый полупроводниковый материал, который уже используется при создании высокочастотных детекторов, — дисульфид молибдена (MoS2). Прототипы тоже были созданы, но эффективность их оказалась крайне низкой, параметры постоянно менялись, и подобрать что-то одно было крайне затруднительно. Что уж говорить о неустойчивости микросхемы в целом.

Тем не менее дальнейшие исследования показали, что низкая эффективность работы схемы стала результатом различия значений подвижности электронов и сопротивления, которые насчитывали сотни раз. То есть сама методика обсчёта работы была несовершенной и действовала с ошибками, и сколько бы ни было снятий показаний, все они оказывались не просто разными, а совершенно разными, один и тот же параметр мог в одном отчете иметь показатель 20, а в другом — 300 или 600 (условно говоря). Возможной причиной было названо огромное число преобразований, которые происходили между металлическими контактами и образцами дисульфида молибдена. Не учитывать их или каким-то образом удалить невозможно, ведь благодаря их наличию и происходит считывание показателей и параметров для лабораторных исследований. В промышленном использовании эти переходы служат выводами.

Разумеется, для электроники это не первый подобный проблемный случай большого числа переходов, влияющих на работу учета показаний эффективности. Ранее применялись легирующие добавки, но они совершенно не подходят для микроэлектроники. Дело в том, что логические элементы имеют малый размер, буквально в одну молекулу, а потому единственным вариантом остается – изменить её саму, иначе говоря, конфигурацию. Благодаря этому ученые узнали, что дисульфид молибдена может находиться только в одной из двух возможных фаз. При этом были взяты условия твёрдого агрегатного состояния. Что касается самих фаз, они различаются углами, возникающими между длиной связей и атомами этой молекулы.

Каков был результат изменения конфигурации? В фазе 1Т дисульфид молибдена становился похожим на металл, а в фазе 2Н становился полупроводником (по характеристикам и свойствам). Соответственно, именно поэтому и ранние результаты измерения эффективности работы и характеристик были разными и совершенно не поддавались логическому объяснению.

Но и это не всё, потребовалось как-то решить проблему управления переходами из одной фазы в другую. Для чего ученые всё же нашли тот единственно необходимый химпроцесс. Особенность его — в использовании литийорганических соединений и синтеза, благодаря чему переход в фазу 1Т (похожесть на металл) осуществлялся в точке контакта, и, таким образом, он (контакт) становился металлическим по структуре и свойствам, но сопротивление как раз таки было намного ниже. То есть если ранее оно составляло 10 кОм, то теперь стало 200 Ом.

Во время работы электрической схемы электроны приближались к дисульфиду молибдена по контактам из металла и переходили в фазу 2Н (становились полупроводниками), как и происходит сейчас в самых обычных полупроводниках. Дальнейшие исследования проводились на более 20 различных электросхемах, и все они показали уже иные результаты. Так, разброс параметров стал совсем малый, а поведение дисульфида молибдена можно было предсказать.

Но к чему весь этот сложный рассказ? Дело в том, что, вполне возможно, уже лет через пять, а то и меньше именно дисульфид молибдена заменит кремний в полупроводниках. Тем более что его свойство изменять фазы в точках контактов — известное явление, прошедшее неоднократные испытания, а потому реализация его в промышленных масштабах не вызовет никаких сложностей. Сложности сейчас у сотрудников лабораторий иные: точнее выявить те условия и параметры, при которых происходит и может происходить обратная смена фаз. И здесь проблема кроется именно в четкости и знаниях, ведь если эти переходы осуществляются по неизвестному и непонятному алгоритму, то инвестиций ученые не увидят еще долгое время, а ведущие компании по производству полупроводников будут все так же использовать старый добрый кремний.

Впрочем, сейчас для компаний использование кремния еще актуально, что и было доказано во время прошедшей в Берлине выставки IFA, на которой корпорация Intel представила новейшие процессоры Core M Broadwell, созданные по техпроцессу 14 нм и предназначенные для мобильных устройств, точнее — для ноутбуков и планшетов.

Особенность новых чипов — в крайне малом количестве требуемой для работы энергии, что составляет не более 4,5 Вт, а потому активного охлаждения в устройствах не потребуется. Но если данные процессоры уже попали к производителям, которые во время выставки представили и ноутбуки на их базе (к примеру, Lenovo ThinkPad Helix 2), то для настольных решений и игровых ноутбуков процессоры на новой архитектуре появятся только в следующем году, и до конца не понятно, в какой именно период.

Мобильные же процессоры были представлены в трех вариантах с двумя ядрами: Core M-5Y70 @1,1 ГГц с возможностью разгона до 2,6 ГГц, Core M-5Y10 @800 МГц с разгоном до 2 ГГц, Core M-5Y10a @800 МГц также с разгоном до 2 ГГц. Все они обладают кеш-памятью L3 в размере 4 МБ, графическим ядром Intel HD Graphics 5300 с частотой 100 МГц, способным работать с технологиями OpenCL 2.0, OpenGL 4.2, DirectX 11.2, а также обрабатывать видео 3840 × 2160 пикселей при стандартном количестве кадров в секунду (24), оперативная память устройства может быть LPDDR3L с частотой 1600 МГц.

Между тем представители Intel на презентации обратили внимание на следующее: новые чипы смогут воспроизводить и видео в новейшем формате Ultra Full HD (4К), но надо иметь в виду, что для этого потребуется подключить внешние мониторы с соответствующим разрешением или телевизоры, так как экраны мобильных устройств (ноутбуков и планшетов) вряд ли будут выпускать в ближайшее время такими огромными.

Что касается мобильной серии Core M, несмотря на малое потребление энергии, производительность была увеличена почти вполовину как для центрального процессора, так и для графического ядра Intel Gen (в сравнении с показателями Intel Core Haswell). Если же сравнить с Core i5, которые создавались четыре года назад и потребляли 18 Вт, новые чипы обрабатывают информацию и выполняют задачи почти вдвое быстрее, а производительность была увеличена в семь раз.

Занятно, что именно Intel сама старается сравнить новые мобильные чипы со старыми моделями четырехлетней давности. И этому есть логичное и простое объяснение. У большинства пользователей ноутбуки имеют срок выпуска 2010-2011 год, а потому сейчас, с выходом действительно более совершенного чипа, вполне можно и обновить устройство. В ноутбуках менять комплектующие и сложнее, и дороже, чем для настольных решений, куда проще и дешевле купить новый ноутбук. К тому же и операционная система теперь новая, а в следующем году ещё обновится. Всё это – если сравнивать с 2010 годом.

Возвращаясь к новым процессорам, необходимо заметить, что использовать их можно и в ультратонких устройствах, то есть таких, толщина которых не более 9 мм. Также среди поддерживаемых устройств значатся: ноутбуки-трансформеры, планшеты и планшеты-трансформеры. При этом теперь изменится и принадлежность мобильных чипов Atom. Производителям рекомендуется устанавливать их в устройства с размером экрана не более 8 дюймов, ибо их производительность вполне справится с малыми объёмами данных для обсчёта. А для устройств с экранами от 9 дюймов уже рекомендуется использовать новейшие мобильные чипы Core M, которые смогут гораздо лучше, быстрее и эффективнее обрабатывать объемы данных и задач.

На выставке уже был представлен продукт Lenovo на базе новых чипов, а к Рождеству должны будут появиться на международном рынке и устройства от Dell, Toshiba, Asus, Acer. Тем не менее Core M — это не самые мощные процессоры для мобильных устройств. Для игровых планшетов и ноутбуков будут создаваться Core U, которые появятся на свет не ранее зимы — начала весны следующего года.

Пока создаются процессоры для различных компьютерных систем, будут требоваться и научные изыскания в этой области. Тем более что Intel выводит на рынок процессоры с новой архитектурой каждые два года, а потому не за горами тот период, когда появятся чипы, созданные по техпроцессу 10 нм, 8 нм и того меньше. И уже тогда потребуются более подходящие элементы, чем кремний.