Новая концепция цифровой электроники: фемтосекунды, терагерцы

Рисунок с сайта www.3dnews.ru

Есть вероятность, что в основе электроники будущего будут не электроны, а перемещающиеся по электронной среде микроволны. Новая концепция предлагается техническим руководителем NanoMEMS Research доктором Гектором Де Лос Сантосом (Héctor J. De Los Santos) и является многообещающим кандидатом на замену КМОП (комплиментарный металл-оксид-полупроводник, CMOS), который сделает возможным дальнейший рост количества элементов в микросхемах, описанный Законом Мура. Основатель корпорации Intel более 40 лет назад предсказал, что число транзисторов в компьютерных чипах будет удваиваться приблизительно каждые 18 месяцев. Но в последующие годы с текущими технологиями придерживаться постулата или тем более превзойти закономерность будет невозможно, поскольку вместе с уменьшением размеров транзисторов до наномасштаба появляются некоторые проблемы, такие как возрастающее сопротивление в схемах и растущие затраты на производство.

Преодолеть вызываемые масштабом компонентов препятствия пытаются исследователи по всем миру, занимаясь поиском альтернативы КМОП. Де Лос Сантос предлагает нано-электронно-жидкостную логику (nano-electron-fluidic logic, NFL), которая базируется на потоках плазмонов в схожем с жидкостью электронном газе. Как предсказывает учёный, базовые элементы цифровой схемы, изготовленные по технологии NFL, имеют потенциал достижения фемтосекундных (10-15 с) скоростей переключения, а рассеиваемая мощность не будет превышать фемтоджоуль. NFL обладает такими возможностями благодаря свойствам поверхностных плазмонных волн (surface plasma waves, SPW). Они распространяются на инверсном слое изолированного затвора, выступающем в роли волновода. Когда две волны встречаются, они отталкивают друг друга. В структуре микроэлектронного устройства SPW запускается в определённом направлении, чтобы путём столкновения с другой SPW задать ей один из двух путей распространения, в которых её появление интерпретируется как 1, а отсутствие – 0.

Чтобы начать процесс, SPW запускается в наполненный электронной "жидкостью" канал, который делится надвое и имеет детекторы на каждом конце. Без приложения внешних сил волна также будет разделяться на равные части, но при введении второй SPW в основной канал с одной из сторон первичная волна отклонится в противоположном направлении. Соответственно, фиксироваться волна будет только одним детектором, и таким образом простейшее NFL-устройство сформирует основу логического триггера и появится возможность хранить один бит информации.

Модель SPW концептуально отличается от КМОП в том смысле, что она основана на волнах, а не частицах. Де Лос Сантос сравнивает идею с возникающей в водоёме волной при падении в него чего-либо. В этой аналогии вода является электронной "жидкостью", а возмущение её поверхности – это отклонение от нейтрального заряда в данной точке потока (в сравнении с отклонением от позиции равновесия колеблющейся частицы). Переносом отклонения и занимается SPW. "Примите во внимание, что если возмущение перемещается от точки возникновения, то частица остаётся там же, она просто колеблется вверх и вниз, - объясняет Де Лос Сантос. – Следовательно, распространение возбуждения не подразумевает перенос массы. Фактически, SPW перемещается быстрее, чем могут быть транспортированы электроны, как волны на поверхности воды распространяются быстрее самих частиц воды". Как известно, в основе обычной логики КМОП лежит ток электронов. По словам учёного, в этом случае происходят столкновения отдельных электронов с посторонними включениями и вибрация полупроводниковой решётки. Это ограничивает максимальное быстродействие, минимальную рассеиваемую мощность и влияет на выполнение логических функций.

Ключ к оптимизации устройств NFL находится в области поиска подходящих габаритов для желаемой частоты. После запуска время жизни SPW зависит от дистанции их распространения. Если детектор находится слишком далеко от места возникновения волны, логические операции будут невозможны. Однако в случае слишком близкого расположения точки фиксирования волн они будут отражаться, распространяться в обратном направлении и снова отражаться. Необходимы такие размеры устройства, чтобы SPW регистрировались до разрушения, но не достигали точки возникновения на обратном пути и не появлялся резонанс. Де Лос Сантос прогнозирует, что конечная плотность NFL должна соответствовать мельчайшему плазмону, или электрическому диполю. Поскольку это атом, то плотность будет зависеть от типа используемых атомов. По сравнению с КМОП логика NFL сможет выполнять те же операции с имеющими в 40 раз меньшую площадь компонентами. Скорость распространения SPW составляет около 1 млрд см/с. В наномасштабе это означает время переключения в течение фемтосекунд, или частоты порядка 6 ТГц при комнатной температуре.

Что касается энергии, необходима лишь мощность для возбуждения SPW, что может быть сделано при любом ненулевом значении постоянного тока. Поддержание электронной среды также требует незначительных энергозатрат. Плюс ко всему, концепция NFL совместима с текущей литографической технологией, а логика на основе NFL может быть подключена к обычной электронике. Де Лос Сантос планирует продолжить исследования преимуществ разработки и надеется, что его технология заменит КМОП в компьютерах, мобильных телефонах, спутниках, инструментальном оборудовании и автомобилях.

Информация с сайта www.3dnews.ru со ссылкой на physorg.com.

Автор оригинального текста: Денис Борн.