Приветствуем отечественных глубокоуважаемых читателей на страницах блога iCover! С громадной долей возможности возможно заявить, что монополия кремниевых чипов в скором будущем вряд ли будет оспорена. Будучи вторым по распространенности по окончании кислорода элементом на Земле, сейчас он рассматривается как неотъемлемая составляющая отечественной земной цивилизации.

К тому же, предстоящая миниатюризация кремниевых транзисторов, как базы существующих вычислительных устройств, связана с рядом технологических неприятностей, что заставляет ученых искать альтернативу этому, казалось бы, незаменимому материалу. О том, в каких направлениях ведется поиск и как успешны предпринятые шаги мы поведаем в отечественной статье.
Смотрите кроме этого: Обладатели Гугл Pixel C жалуются на неприятности с Wi-Fi

На официальном форуме помощи пользователей планшета Pixel C от Гугл стремительными темпами растёт новая ветка дискуссии, которая посвящена неполадкам в работе устройства с Wi-Fi. Многие обладатели планшетного компьютера отмечают, что при постепенном удалении от маршрутизатора скорость отдачи остаётся стабильной, но скорость загрузки быстро падает. Действенного ответа данной неприятности обладателям Pixel C отыскать так и не удалось.Сотрудники команды помощи Гугл уже успели отписаться в соответствующей ветке форума.

Кремниевая электроника всецело поменяла отечественный мир, выяснив возможность создания единого информационного пространства. Кварцевый и речной песок, кремний (Si), присутствующий на Земле в большом количестве и относившийся в конце 40-х годов прошлого века к ненужным и капризным материалам, подарил нам возможность создавать информационные технологии и электронные приборы, превратившись в тот двигатель, без которого отечественная цивилизация в ее нынешнем виде ни при каких обстоятельствах не имела возможность существовать.Те революционные трансформации, каковые были реализованы в сферах информационных и вычислительных совокупностей и случились практически в течение судьбы одного поколения человечества, произошли благодаря постоянной миниатюризации транзистора — главной «рабочей лошадки» твердотельной электроники, пришедшего в свое время на смену электронным вакуумным лампам и механическому релейному тумблеру.

Как раз такие тумблеры нашли использование в схеме первого бинарного электромеханического компьютера Z1, созданного во второй половине 30-ых годов XX века Конрадом Цузе. Попытаемся задаться вопросом: до каких пор миниатюризация размеров транзистора, сопровождающееся повышением производительности процессоров будет технологически и экономически оправдано?

Уменьшение размеров транзисторов разрешило расширить их число на одном чипе до 100 000 (разработка 1,5 микрона) в первой половине 80-ых годов XX века, до 100 000 000 (разработка 90 нм) к 2003 году и практически до 10 000 000 000 Сейчас. Неуклонно росли и величины тактовой частоты процессоров из расчета количества операций в секунду. Лишь на этапе с 1982-го по 2003 прирост составил: с 10 МГц в первой половине 80-ых годов XX века до 4ГГц в 2003 году, по окончании чего это значение фактически не росло. Из-за чего?

Обстоятельство кажущегося логического несоответствия кроется в основном принципе функционирования современных процессоров, предполагающем кодирование бинарных значений бита в виде заряда электронов на пластинах конденсатора (энергетический эквивалент бита наряду с этим равен Е=CV?/2, где С – емкость, а V- напряжение на его пластинах). Т. е. при совершении любых манипуляций с битами вычислительному устройству потребуется энергия, достаточная чтобы отличить значение бита от теплового шума.

Одновременно с этим во всех существующих сейчас совокупностях обработки информации каждые трансформации состояния бита сопровождаются “выбросом” некоего количества тепловой энергии. С повышением тактовой частоты растет и частота высвобождения порций энергии, при сохранении размеров чипа.Непременно, развитие разработок разрешает снизить и полезные напряжения и размеры конденсаторов, но данный процесс не в состоянии компенсировать неизбежное повышение плотности рассеиваемой мощности.

Таковой, не через чур рациональный подход, оправдывал себя, пока неприятность, которая связана с теплоотводом не "настойчиво попросила" принятия кардинальных мер.Чтобы нагляднее представить себе масштабы неприятности, отыщем в памяти, что процессор 8086, выпускавшийся во второй половине 70-ых годов двадцатого века по трехмикронной технологии задействовал возможности 29000 транзисторов, и, трудясь на частоте 4,77МГц, не потребовал радиатора, потому, что количество рассеиваемого тепла не превышал 1,5 ватта. Процессор Pentium 4 Prescott, выпущенный в 2004 году по 90 нм техпроцессу, трудясь на частоте 3ГГц применял возможности 125 млн. транзисторов и продуцировал уже 100 ватт тепловой энергии.

И тут разработчики близко приблизились к тому пределу мощности, что возможно отвести применяя схему воздушного охлаждения. Как раз в данной связи лежащий на отечественных коленях лэптоп жжет ноги а десктоп делается частью отопительной совокупности. На уровне современного суперкомпьютера, потребляющего порядка 5 милионов ватт мощности (эквивалентно 1000 четырехкомфорочных электрических плит, трудящихся в один момент на полной мощности) потребуется особым образом охлаждаемое помещение.

А дата-центр Гугл, что строят в холодной Норвегии, будет потреблять уже 200 милионов ватт и охлаждаться водой из ближайшего фьорда.Иллюстрация прироста плотности мощности, рассеиваемой на чипе, согласно данным за период с 1970 по 2012 год (University of Notre Dame, США)Тут будет уместно привести цитату International Technology Roadmap for Semiconductors (“Интернациональной дорожной карты для полупроводниковых разработок”): “Power management is now the primary issue across most application segments due to the 2? increase in transistor count per generation while cost-effective heat removal from packaged chips remains almost flat (ITRS 2013)”. Что означает: управление распределением мощности превратилось в проблему для большинства приложений, в связи с тем, что удвоение числа транзисторов не сопровождается эквивалентным повышением действенного теплоотведения от чипа, оставаясь фактически на том же уровне.Иначе говоря плотность транзисторов на чипе с воздушным охлаждением уже сейчас такова, что их одновременное применение приведет к расплавлению чипа.

Это растолковывает необходимость применения режимов dark silicon, в то время, когда некая пространственная область чипа на время пассивно “засыпает” не пропуская через себя ток и не выделяя тепла. Принципиально важно кроме этого учитывать, что предстоящая миниатюризация транзисторов до величины менее 10 нм (порядка 20 атомов кремния) усугубляет проблему теплоотведения в связи с проблемами с утечкой, являющейся следствием квантово-механического туннелирования (т. н. “пассивной” утечкой).

Вторая неприятность – экономическая целесообразность. Единичные транзисторы таких размеров – не неприятность изготовить с применением разработки электронной литографии.

В то время, когда же речь идет о массовом производстве, предполагающем важные затраты на каждом этапе технологического цикла без особенных возможностей удешевления производственного процесса, то оправданность инвестиций в такое производство попадает под сомнение.Тут необходимо подчернуть, что сейчас представлены технологии, открывающие возможность для развития в горизонтальном направлении, без необходимости уменьшения размеров устройств. Таковой принцип употребляется в схемах с многоядерными параллельно трудящимися процессорами, применяющими пара чипов на одной микросхеме.

Еще один пример временного выхода из тупика – деятельно развиваемая сейчас концепция system on a chip, предполагающая изготовление специальных процессоров для выполнения своеобразных задач. К тому же, импровизации с архитектурой в этом случае тяжело назвать фундаментальным ответом, потому, что альтернатива “кирпичикам” (кремниевым полевым транзисторам) не планируется. Имеется ли основания сказать о технологическом пределе? Похоже, что да.

И это подтверждают активные поиски других ответов.Один из дорог – поиск ответа в рамках стандартной бинарной цифровой логики, разрешающих улучшить параметры современных кремниевых полевых транзисторов и максимально уменьшить ненужную пассивную рассеиваемую мощность, которая выделяется благодаря утечек. Определенные надежды на этом дороги связываются с туннельными полевыми транзисторами (TFETs), основанными на принципе квантового механического туннелирования.

Другое ответ – использование наноэлектромеханических реле, в совершенстве не имеющих утечек (в собственном роде прообраз идеи реле Конрада Цузе, в наноразмерной интерпретации). Один из разглядываемых претендентов на роль замены кремнию сейчас рассматривается графен.

Свойства полупроводника, нужные для реализации функции транзистора графен сейчас демонстрирует в виде «наноленточек», к массовому производству не пригодных, исходя из этого на нынешнем этапе развития разработок в качестве важного соперника кремнию рассматриваться не имеет возможности. Не оправдывает возложенных ожиданий до тех пор пока и т. н. “спинтроника” – принцип, в соответствии с которым в качестве эквивалента двоичной переменной предлагается разглядывать не заряд электрона, а его спин (внутренний магнитный момент).

Будучи очень затратной в реализации, принципиальных преимуществ в сравнении с кремниевыми ответами такая разработка на нынешнем этапе ее реализации не демонстрирует. Само собой разумеется, одним из приоритетных и самых перспективных направлений в поиске альтернативы в течение уже 15 лет представляется квантовый компьютер и все, что с ним связано. Практическая реализация для того чтобы решения сталкивается сходу с несколькими проблемами.

Первая – изготовить процессор с числом кубитов, достаточным с целью достижения поставленных целей до тех пор пока проблематично, а возможности достаточно туманны. Иначе, не так выяснить круг задач, каковые квантовые компьютеры имели возможность решить лучше, чем существующие компьютеры. За исключением ряда и факторизации чисел вторых своеобразных задач преимущества квантовых компьютеров при ответе повседневных задач не видятся очевидными.

К тому же, громаднейший интерес перспективные квантовые компьютеры воображают при применении в расчетах квантовых совокупностей. Рассматриваются ли другие ответы? Да, и для этого стоит задаться вопросом: возможно ли минимизировать выброс энергии бита, сопровождающийся тепловыделением?

Иллюстрация теоретически достижимых значений мощности рассеяния на чипе в зависимости от тактовой частоты процессора для случаев простой и реверсивной логики. (University of Notre Dame, США)Зависимости, отраженные на графике не являются единственно вероятными. Примером может служить т. н. «адиабатическая реверсивная логика» (АРЛ), базирующаяся на принципе Ландауэра, следуя которому превращение энергии битов в тепловую выясняется неизбежным лишь при стирания информации.

Соответственно, в случае если стирание заменить процессом рециркуляции, при котором большинство энергии битов возвращается источнику питания, то больших утрат, выясняется, возможно будет избежать. Как подтвердили изучения, в режиме АРЛ чип возможно вынудить трудиться так, дабы количество выделяемого тепла выяснилось на порядки меньше того, которое выделяется в чипах, трудящихся на стандартной нереверсивной логике.

Очевидно, компенсировать реализуемое преимущество архитектуры в пределах чипа приходится за счет запасных совокупностей, задействованных только под распределение энергетических ресурсов. Роль главного элемента таковой совокупности смогут выполнить микроэлектромеханические резонаторы, употребляющихся в качестве локальных «дистрибуторов» энергии, трудящихся, как на отдачу энергии потребителю (транзисторной схеме), так и на получение энергии от этих устройств в обратном направлении.

Эту энергию возможно применять повторно (рециркулировать). Тем самым возрастает и количество операций, которых устройство сможет выполнить в единицу времени.

Как пример преимуществ для того чтобы решения возможно привести смартфон, что достаточно будет зарядить раз в год либо прирост вычислительной мощности лэптопа в десятки либо кроме того много раз в пределах того же энергетического бюджета.К тому же, не смотря на то, что применение АРЛ и представляется достаточно перспективным ответом, которое разрешает применять уже существующие разработки, сказать о фундаментальном прорыве тут очевидно преждевременно, потому, что предполагается применение все тех же транзисторов, с свойственными им недочётами, каковые проявляются с уменьшением их размеров (так, к примеру, АРЛ не демонстрирует преимуществ в ответе главной неприятности пассивной квантово-механической утечки). Возможно ли обойтись без транзисторов в принципе?

Давайте попытаемся разглядеть вариант с применением концепции т. н. QCA (quantum dot cellular automata = клеточного автомата на квантовых точках). Клеточным автоматом назвали вычислительное устройство, которое складывается из совокупности однородных “клеток”, весьма похожих на кубики детского конструктора “Лего”, из которых вероятно собирать достаточно сложные устройства. Любая такая клетка в любой фиксированный момент времени находится в одном из двух состояний.

А трансформации состояния клетки во времени возможно логически увязать с ее прошлым состоянием или состояниями ближайших к ней соседей (в “окрестностях” клетки). В первой половине 90-ых годов двадцатого века Вольфгангом Породом (Wolfgang Porod) и Крэгом Лентом (Craig Lent) из Университета Нотр-Дам (США) был предложен физический прототип для того чтобы автомата, работа которого применяла концепцию электростатических связанных квантовых точек. Иллюстрация двух состояний клетки QCA и полного бинарного сумматора, собранного из таких клеток.

Красные кружочки — квантовые точки, заполненные электронами. Эти электроны способны туннелировать между белыми кружочками — квантовыми точками. Благодаря кулоновского расталкивания электроны находятся в одном из двух энергетически эквивалентных диагональных состояний, каковые кодируют бинарные ноль и единицу. (University of Notre Dame, США)Минимальная ячейка («клетка») в QCA-архитектуре составляется из четырех квантовых точек, каковые находятся в углах квадрата.

В каждой клетке на четыре точки имеются по два электрона. Кулоновское расталкивание определяет их положение во взаимно противоположных углах квадрата, и, как следствие, два “диагональных” расположения электронов в таковой интерпретации будет соответствовать двум состояниям с равной энергией, трактуя единицу либо ноль двоичного кода.

Как это трудится. (University of Notre Dame, США)Архитектуры QCA основаны на несложных правилах сотрудничества между клетками, локализованных на поверхности чипа, и реализующих в один момент идею клеточного автомата и квантовой механики. Такая архитектура разрешает создавать наноустройства, сочетающие громадную вычислительную мощность с очень низким энергопотреблением.

Наряду с этим крайне важно, что на базе QCA возможно создавать не только производительные энергоэффективные процессоры с классической детерминистической бинарной логикой, но применять подобные архитектурные ответы и при создании квантовых компьютеров.Иллюстрация одноэлектронного транзистора с железными электродами и оксидными туннельными переходами с площадью порядка 4000 кв. направляться. (University of Notre Dame, США)В качестве считывающего устройства для клеточного автомата QCA возможно использован т. н. “одноэлектронный” транзистор — наноэлектронный прибор, что разрешает отслеживать момент переключения одного электрона в клетке. Действующий прототип для того чтобы устройства в котором употреблялись железные “квантовые точки” при низких температурах (~100 мК) в первый раз был показан еще во второй половине 90-ых годов двадцатого века.

Роль элемента питания для для того чтобы процессора может выполнить многофазный тактовый генератор на чипе, выполненный на базе резонатора и талантливый, как отдавать, так и поглощать энергию. К слову, одноэлектронная логическая схема (“одноэлектронный параметрон”) с тактовым генератором, которая отыскала использование в архитектуре QCA была предложена А. Коротковым и К. Лихаревым.

Один из краеугольных камней пребывает в том, что характерный масштаб энергии барьера, разделяющего бинарный 0 и 1 в электронных QCA, зависит от параметра, что, со своей стороны, определяется электрической емкостью совокупности, C: E=e?/C. Соответственно, чтобы такая QCA-схема смогла действующий при комнатной температуре, допустимые размеры клетки не должны быть больше 5 нанометров.

К тому же, возможность успешного функционирования и создания таковой (единичной) клетки при комнатной температуре в первый раз показала в 2009 году несколько экспертов под управлением Роберта Уолкоу. К сожалению, на коммерческом уровне полученные ответы реализованы так и не были. Иллюстрация полного бинарного сумматора на наномагнитах размерами 80 х 60 кв. нм.

Справа МСМ-изображение, слева — электронная микрофотография. Образованные магнитные полюса отображаются броским и чёрным цветами. (University of Notre Dame, США)Правила, лежащие в базе концепции QCA, разрешают создать не только наноэлектронные, но и наномагнитные процессоры, роль кубиков “Лего” в которых выполняют наномагниты с двумя фиксированными направлениями магнетизации и размером менее 100 нм.

Логические узлы для того чтобы рода устройств, выполненные из пермаллоя, были показаны еще в 2006 году и смогли удачно совместить в себе функции, как памяти, так и логического устройства. В возможности работа аналогичных клеточных автоматов будет обеспечиваться за счет минимальных использования и мощностей переключения адиабатической реверсивной схемы, что разрешит свести к минимуму ненужное рассеивание энергии.

Такие автоматы смогут планировать из своеобразных молекул с элементами однобитовой клетки в них. Такие ответы разрешат достигать рекордной плотности элементов в пределах одного чипа (до 10??/см?).

Иллюстрация QCA-клетки, образованной на молекулярном комплексе (University of Notre Dame, США)К тому же, не обращая внимания на то, что химические компоненты для моделирования аналогичных молекул дешёвы, сами молекулы смогут быть созданы и их поведение скрупулезно просчитано, воплотить с их помощью что-то функциональное контролируемым методом пока не сумел никто. Тут потребуется разработка принципиально новых способов управления процессами сборки функциональных устройств на уровне молекул.

И это вопрос до тех пор пока остается открыт.Квантовые вычисления на КМОП-транзисторах — плод воображения либо настоящая возможность?Вероятно ли реализовать квантовый бит (кубит) — фундаментальную ячейку квантовой вычислительной совокупности на базе миниатюрного аналога классического КМОП-транзистора? Как раз таковой вопрос поставила объединенная группа исследователей из Кембриджской лаборатории компании Hitachi (Англия) и экспертов из Японии, Франции и Украины, занятых в рамках европейского проекта TOLOP (TOwards LOw Power information and communication technologies).Ученые сумели продемонстрировать, что транзисторы, изготовленные в соответствии с КМОП-разработкой (CMOS) смогут быть наряду с этим снижены до таких размеров, что смогут совладать с задачами, решаемыми кубитами.

Иначе говоря они окажутся способны принять одно из двух квантовых состояний либо пребывать в состоянии квантовой суперпозиции. «Мы желали продемонстрировать, что та же самая разработка, которая употребляется для отечественных компьютеров возможно использована для квантовых вычислительных опытов» — говорит Фернандо Гонсалес-Залба (Gonzales-Zalba), возглавивший исследовательские работы и группу учёных. На протяжении опыта ученым удалось поменять, записать и вычислять квантовое состояние КМОП-кубита через затвор полевого транзистора.

Для получения «КМПОП-кубита» ученые создали полевые транзисторы, затвор которых формирует около канала два прямых угла и окружает его с трех сторон. Сам канал, располагающийся горизонтально на кремниевом основании представляет собой удлиненный нанопроводник, в центре которого расположена структура затвора, выполняющего роль управляющего электрода.

Большая величина напряженности электрического поля, концентрирующегося по периферии канала транзистора, регистрируется на гранях проводника. Применяя эффект квантового туннелирования при температуре ниже 20К вероятно отделить один электрон и переместить его между квантовыми точками. Особенности распределения электронов на противоположных гранях нанопроводника разрешат задать необходимое квантовое состояние транзистора-кубита.

При определенных условиях электроны перемещаются в обоих направлениях в один момент, что будет соответствовать состоянию квантовой суперпозиции. Состояние квантовой суперпозиции транзисторов-кубитов вероятно задать методом подачи на затвор электрического импульса с определенными чертями. Продолжительность нахождения кубита в этом состоянии, как показали опыты, образовывает промежуток в 100 пикосекунд.

Затвор транзистора-кубита возможно использован и для считывания квантовых состояний в настоящем режиме времени. Для данной цели ученые соединили транзистор с колебательным LC-контуром, трудящимся на частоте 350 мегагерц. В промежутках, в то время, когда транзистор пребывал в состоянии суперпозиции либо в одном из двух «значимых» состояний, электрическая емкость квантовых точек на гранях нанопроводника незначительно, но изменялась.

Это, со своей стороны, приводило к трансформации резонансной частоты контура, что вероятно измерить классическими способами. Опыт, совершённый в лаборатории объединенной группой экспертов разрешил довести время, за который КМОП-транзистор-кубит способен хранить квантовую данные до 100 пикосекунд.

К тому же, ученые уже в ближайшее время собираются поднять данный показатель до 1 наносекунды — времени, достаточного для исполнения базисных операций, применяемых в ходе обработки квантовой информации. Еще один вопрос, на что сумели ответить эксперты — это возможность обеспечения состояния квантовой запутанности двух и большего числа кубитов между собой.

При КМОП-транзистора ответ выясняется вероятным при их размещении на минимальном расстоянии друг от друга либо же на одном нанопроводнике, что разрешит обеспечить электростатическое сцепление между электронами в соседних транзисторах. Так, «Если вы произведете операцию с электронами в одном транзисторе, то она неизбежно затронет квантовое состояние второго транзистора, и напротив» поясняют авторы экспериментальной модели. «Два кубита, взаимодействующие подобным образом, и составляют базу, разрешающую создавать комплект элементов, нужный для построения функционального квантового компьютера».

Подробнее с результатами эксперимента и научной концепцией возможно ознакомиться на страницах ACS Nano Letters. Резюмируя, возможно заявить, что экспертам из Кембриджа удалось экспериментально доказать, что согласованности и квантовые эффекты туннелирования в схеме с применением КМОП-транзистора возможно применять во благо, в случае если попытаться посмотреть на них с позиций квантовой вычислительной совокупности.

И в случае если экспериментально полученные результаты удастся закрепить на уровне конечных практических ответов, то праздничные проводы связанных технологий и кремния на законно заслуженный отдых, быть может, опять возможно будет отложить на неизвестное время.Источник 1Источник 2Глубокоуважаемые читатели, мы неизменно с наслаждением встречаем и ожидаем вас на страницах отечественного блога. Мы готовы и дальше делиться с вами актуальными новостями, другими публикациями и обзорными материалами, и попытаемся приложить максимумальные усилия чтобы совершённое с нами время было для вас нужным. И, само собой разумеется, помните подписываться на отечественные рубрики.Другие события и наши статьи

• Выбор умных часов сейчас. Что изменилось?
• Комплект всевышнего гейминга. Игровая периферия – это всё
• Sale
• Спорт vs фитнес: Fitbit Charge HR и Polar M400
• Обзор Jabra Eclipse
• Будущее SSD накопителей на M.2 — Обзор Sandisk x300s
• Xiaomi Power Bank 16000 либо Xiaomi Power Bank 5000? Обзор новинок

Случайная статья:

• Рынок бытовой техники украины вырос в первом квартале на 14%
• Как предсказать популярность контента в социальных сетях

какой способ оплаты выбрать на computeruniverse

Похожие статьи:

• Массовая кремниевая электроника может стать гибкой

  Более 90% современной электроники делается на кремниевых подложках. Твёрдые? Да. Хрупкие? Да. Но дёшево! Но в случае если у подложек оторвать верхний…

• Nrko на usb. проблемы и костыли при их решениях

  Здравствуй, GT. В одном из моих прошлых постов (в частности, про клавиатуру SteelSeries Apex M800) юзернеймmonah_tuk задал занимательный вопрос в…

• Браузер не открывает страницы: решения проблемы

  Неприятности с браузером, в то время, когда тот не открывает страницы, привычны многим пользователем. Наподобие и за Интернет своевременно заплатили, и…