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