Революция в мире микропроцессоров уже не за горами



Американские ученые с использованием сегнетоэлектриков могут совершить настоящую революцию в электронике уже в ближайшее время, преодолев недостатки современных процессоров.

Ученые из Калифорнийского университета в Беркли нашли практичный способ уменьшения минимального напряжения, необходимого для хранения электрического заряда в конденсаторе. Это достижение может существенно снизить энергопотребление и тепловыделение современной электроники.

Чем большее быстродействие у современного компьютера, тем больше он теряет энергии на выделение тепла в окружающую среду. В настоящее время технологии создания высокопроизводительных процессоров подошли к своему «потолку», – необходимы слишком мощные и сложные системы охлаждения.

А все дело в том, что напряжение для питания транзисторов современных микросхем остается на уровне 1 вольт в течение приблизительно 10 лет.

Это связано с физическими принципами работы транзистора, и рост производительности процессоров шел по пути наращивания количества транзисторов и их миниатюризации. Сегодня процессор может содержать миллиарды транзисторов, однако уменьшение размера не привело к пропорциональному сокращению общей потребляемой мощности, необходимой для работы компьютерного чипа.

При комнатной температуре требуется не менее 60 милливольт для возникновения электрического тока в транзисторе и минимум напряжения порядка 1 В для сохранения быстродействия процессора в целом. Из-за этого с 2005 года частота процессоров не сильно выросла, а эффективно сдерживать долю энергии, затрачиваемую на тепло и уменьшать размер микропроцессоров становится все труднее.



Схема экспериментального образца, созданного на основе сегнетоэлектриков. Подобное устройство способно накапливать существенно больший заряд в слое титаната стронция при том же значении напряжения.

Ключом к электронике нового поколения должен стать более совершенный энергоэффективный транзистор, и американские ученые, похоже, придумали, как это сделать. Решение заключается в добавлении в конструкцию современных транзисторов сегнетоэлектриков (ферроэлектриков), которые потенциально могут накапливать существенно больший заряд при меньшем напряжении.

Справка NNN: Сегнетоэлектрики — диэлектрики, которые обладают в определенном интервале температур спонтанной (самопроизвольной) поляризованностью, т. е. поляризованностью в условиях отсутствия внешнего электрического поля. К сегнетоэлектрикам относятся, например, подробно изученные И. В. Курчатовым (1903—1960) и П. П. Кобеко (1897—1954) сегнетова соль NaKC4H4O6•4Н2O (от нее и было получено данное название) и титанат бария ВаТiO3.

При отсутствии внешнего электрического поля сегнетоэлектрик есть как бы мозаика из доменов — областей с различными направлениями поляризованности. Так как в смежных доменах эти направления отличаются, то в целом дипольный момент диэлектрика равен нулю. При внесении во внешнее поле сегнетоэлектрика осуществляется переориентация дипольных моментов доменов по полю, а возникшее при этом суммарное электрическое поле доменов будет поддерживать их некоторую ориентацию и после прекращения действия внешнего поля. Поэтому сегнетоэлектрики имеют очень большие значения диэлектрической проницаемости (для сегнетовой соли, например, εmax≈104).

Сегнетоэлектрические свойства веществ сильно зависят от температуры. Для каждого сегнетоэлектрика есть определенная температура, выше которой его данные необычные свойства исчезают и он превращается в обычный диэлектрик. Эта температура называется точкой Кюри (в честь французского физика Пьера Кюри (1859—1906)). Обычно, сегнетоэлектрики обладают только одной точкой Кюри; исключение составляют лишь сегнетова соль (—18 и +24°С) и изоморфные с нею соединения. В сегнетоэлектриках вблизи точки Кюри наблюдается также резкое возрастание теплоемкости вещества. Превращение сегнетоэлектриков в обычный диэлектрик, которое происходит в точке Кюри, сопровождается фазовым переходом II рода.

Диэлектрическая проницаемость ε (а значит, и диэлектрическая восприимчивость θ) сегнетоэлектриков зависит от напряженности Е поля в веществе, при этом эти величины являются характеристиками вещества для других диэлектриков.

Для сегнетоэлектриков не соблюдается формула связи поляризованности и напряженности поля P=θε0E ; для них зависимость между векторами поляризованности (Р) и напряженности (Е) нелинейная и зависит от значений Е в предыдущие моменты времени. В сегнетоэлектриках наблюдается явление диэлектрического гистерезиса (запаздывания).

Росту изучения сегнетоэлектриков послужило открытие аномальных диэлектрических свойств титаната бария академиком Б. М. Вулом (1903—1985). Титанат бария из-за его высокой механической прочности и химической устойчивости, а также по причине сохранения сегнетоэлектрических свойств в широком температурном интервале нашел широкое научно-техническое применение (например, в качестве приемника и генератора ультразвуковых волн). В настоящее время известно более сотни сегнетоэлектриков, не считая их твердых растворов. Сегнетоэлектрики широко используются также в качестве материалов, которые обладают большими значениями ε (например, в конденсаторах).

Инженеры Калифорнийского университета сначала создали конденсатор из сегнетоэлектрика совмещенного с диэлектриком, который способен увиличить емкость устройства. Это явление, называемое отрицательной емкостью, может помочь преодолеть существующую проблему энергоэффективности транзисторов и создать маломощные транзисторы без ущерба для производительности и быстродействия.

В своем прототипе электронного устройства нового типа исследователи применили пары сегнетоэлектрических материалов: цирконата-титаната свинца с диэлектриком из титаната стронция. Они исследовали емкости пары конденсаторов, созданных на основе новых материалов и на основе только титаната стронция. «Сегнетоэлектрическая структура» продемонстрировала двукратное превосходство в емкости при заданном малом напряжении.

Другими словами, «сегнетоэлектрическое устройство» демонстрирует ту же мощность, но при меньшем напряжении, чем традиционные электронные устройства. При этом эффект наблюдается даже при температуре в 200 градусов Цельсия, в то время как для современных процессоров предельная рабочая температура равна 85 градусам.

В настоящее время ученые заняты подготовкой к эксперименту по созданию сегнетоэлектрического транзистора, способного включаться и выключаться, генерируя нули и единицы двоичного кода компьютера.

Если удастся этого достичь, индустрию вычислительной техники ждет настоящая революция, связанная с появлением мощных микропроцессоров с низким энергопотреблением.

Источник

«Счастье дается только знающим. Чем больше знает человек, тем резче, тем сильнее он видит поэзию земли там, где ее никогда не найдет человек, обладающий скудными знаниями»

Константин Паустовский