Тайваньская полупроводниковая кузница TSMC сообщила о полном завершении разработки инфраструктуры проектирования для 5-нм техпроцесса в рамках Open Innovation Platform, включая технологические файлы и комплекты для проектирования. Техпроцесс прошёл множество тестов надёжности кремниевых чипов. Это позволяет начать создание 5-нм однокристальных систем для мобильных и высокопроизводительных решений следующего поколения, ориентированных на быстрорастущие рынки 5G и искусственного интеллекта.

5-нм технологический процесс TSMC уже достиг стадии рискового производства. На примере ядра ARM Cortex-A72, по сравнению с 7-нм процессом TSMC, он обеспечивает 1,8-кратное превосходство по плотности кристалла и 15-процентное по тактовой частоте. 5-нм технология использует преимущества упрощения техпроцесса за счёт полного перехода на литографию в крайнем ультрафиолетовом диапазоне (EUV), что обеспечивает хороший прогресс в повышении доли выхода годных чипов. Сегодня достигнут более высокий уровень зрелости технологии по сравнению с предыдущими техпроцессами TSMC на той же стадии развития.

Вся 5-нм инфраструктура TSMC теперь доступна для загрузки. Опираясь на ресурсы открытой экосистемы проектирования тайваньского производителя, заказчики уже приступили к интенсивным проектным разработкам. Вместе с партнерами Electronic Design Automation компания также добавила ещё один уровень сертификации последовательности проектирования.

Углеродным нанотрубкам нашли ещё одно применение. Несколько дней назад в журнале Nature Scientific Reports вышла статья, в которой впервые рассматривается возможность использования в магнитной записи на жёстких дисках многостенных углеродных нанотрубок (Multiwall carbon nanotubes, MWCNT). Это разнообразные сложные CNT-структуры в виде «матрёшки», «свёртков» и других конструкций. Задача во всех случаях сводится к одному ― нафаршировать каждую такую сложную углеродную нанотрубку магнитными наночастицами. Каждые магнитные наночастицы в отдельности не дадут эффекта записи данных. Изменить намагниченность можно только целой трубки, но это всё равно будет плотнее, чем записать магнитный домен на обычной магнитной пластине HDD. Многократно плотнее.

Исследование магнитной записи на MWCNT провели учёные из Университета штата Аляска (Фэрбанкс) и ряда других научных учреждений США и Чешской Республики. Одним из руководителей проекта стал чешский учёный Гюнтер Клетечка (Gunther Kletetschka). Специалист отмечает, что существующие методы повышения плотности записи на магнитных дисках HDD уже не отвечают скорости роста данных. Для обуздания роста данных необходимо, чтобы плотность хранения данных на жёстких дисках каждый год росла на 40 %, а последние годы она растёт на 10–15 % в год. Запись с использованием углеродных магнитных трубок может стать ответом на вызовы информационного времени, но для этого ещё предстоит проделать колоссальную исследовательскую работу.

Суть открытия состоит в том, что углеродные нанотрубки с магнитными наночастицами внутри подвергали воздействию электромагнитного поля разной амплитуды и разной частоты. Изготовление нафаршированных наночастицами углеродных трубок, кстати, проводилось с помощью осаждения в газовой среде ― ничего нового. При подаче магнитного поля с частотой до 10 кГц ничего не происходило (сказывался поверхностный эффект проводимости углеродных нанотрубок), но с ростом частоты свыше 10 кГц и при уменьшении амплитуды поля возникал эффект намагниченности углеродной нанотрубки с магнитными наночастицами. Как считают учёные, внешнее поле приходило в соответствие с магнитным полем отдельных частиц, что позволили придать нанотрубке устойчивую намагниченность в заданном направлении.

У учёных пока нет предложений, каким образом и как создать записывающие и считывающие механизмы для записи данных на массиве углеродных нанотрубок, но они обещают хорошо поработать в этом направлении, ведь со временем данных меньше не станет.

Впервые квантовый двигатель превзошел своих классических конкурентов без каких-либо экспериментальных трюков. Но, скажем сразу, речь идёт о микроскопических устройствах, поэтому квантовую Tesla ждать нам пока что не приходится.

Используя законы квантовой механики, новый двигатель смог показать большую мощность, чем стандартные — классические двигатели в тех же условиях (и в том же масштабе), сообщают в исследовательской работе от 22 марта, выполненной коллективом учёных из Американского Физического Общества (англ. The American Physical Society).

Когда-нибудь в будущем

В своём исследовании учёные смогли экспериментально убедиться, что одним из основных свойств квантового теплового двигателя является способность рабочего тела (электрона) находиться в когерентной (взаимосвязанной) суперпозиции (одновременно в двух или более состояниях). И, как и ожидалось, в масштабах микроскопического устройства это позволяет производить больше мощности, чем у любого эквивалентного классического теплового двигателя в тех же условиях. Также было подтверждено, что в рамках одного режима работы наличие такой внутренней когерентности приводит к тому, что различные типы квантовых тепловых двигателей становятся термодинамически эквивалентными, то есть «во всех случаях, когда из теплоты появляется работа, тратится пропорциональное полученной работе количество теплоты, и наоборот, при затрате той или иной работы получается то же количество тепла», — как сказал бы великий ученый Рудольф Клазиус.

Если говорить проще, то традиционные тепловые двигатели превращают тепло в движение. Например, в автомобилях двигатель внутреннего сгорания использует энергию от воспламенения топлива для того, чтобы приводить в движение поршни, которые в свою очередь через привод передают энергию на колёса и вращают их, благодаря чему автомобиль движется. Существуют разные вариации тепловых двигателей, но, как правило, большая мощность в них преимущественно достигается за счет работы в иной среде, ином приложении силы, а также модификациях используемого топлива.

В новом исследовании квантовый двигатель использует совершенно иной принцип работы: при помощи лазера, направленного на специально подготовленные алмазные кристаллы с небольшим дефектом (азотной вакансией). Лазер переводит электрон, располагающийся в кристалле (в этой самой вакансии), с одного энергетического уровня на другой, а вместо поршней квантовый двигатель производит мощность в виде электромагнитного поля.

Так как рабочим телом в данной конструкции является электрон, то в дело вступают законы квантовой механики. Сверхмалые объекты, такие как электроны, имеют свойство находиться сразу в нескольких состояниях одновременно, что называется суперпозицией, то есть если возвращаться к примеру с классическим двигателем, то в квантовом двигателе наш «поршень» одновременно и в верхнем, и в нижнем положении. В нашем случае с квантовым двигателем электрон находится одновременно на нескольких энергетических уровнях в один момент времени. Всё это также связано с корпускулярно-волновым дуализмом, той самой волшебной теорией квантовой физики, которая утверждает, что любая микрочастица — это ещё и волна.

При определённых условиях это свойство, как сообщают ученые, приводит к увеличению выходной мощности, так как теоретически все элементы и процессы внутри квантового двигателя многократно дублируются. «Это первый эксперимент, когда мы смогли достичь такого режима работы», — говорит физик Роберто Серра из Федерального университета ABC в Санто-Андре, Бразилия.

Но, как и в ситуации с квантовыми компьютерами, всё не так просто: экспериментальный микродвигатель ещё сложно назвать полноценной реализацией. На данный момент команда учёных оценила его выходную мощность, но ещё не проанализировала такое ключевое качество, как эффективность. Поэтому в будущем эксперименты будут продолжаться.

Особенностью этого типа двигателей также является и равномерность работы, то есть для него невозможны режимы с увеличением или падением мощности: она остаётся постоянной, что накладывает на данные и без того специфичные устройства дополнительные ограничения. «Если вы попробуете построить автомобиль или реактивный двигатель ... Это совершенно бесполезно», — говорит физик Ян Уолмсли из Имперского колледжа Лондона, соавтор исследования, комментируя возможность практического применения квантового двигателя в текущих реалиях.

Тем не менее, исследование приоткрывает нам новые грани того, как квантовая механика взаимодействует с термодинамикой — разделом физики, исследующем способы передачи и превращения энергии. Именно в этой области новый двигатель открывает лазейку для преодоления ограничений, наложенных классической физикой на генерацию мощности. «Мы не изменили законы термодинамики, но открыли новую её часть», — говорит Уолмсли.

Группа исследователей из Института Пауля Шеррера (Филлиген, Швейцария) и Швейцарской высшей технической школы Цюриха исследовала и подтвердила работу интересного феномена магнетизма на атомарном уровне. Нетипичное поведение магнитов на уровне нанометровых кластеров предсказал ещё 60 лет назад советский и американский физик Игорь Ехиельевич Дзялошинский. Исследователи из Швейцарии смогли создать такие структуры и теперь пророчат им светлое будущее не только в качестве решений для хранения данных, но также, что очень необычно, как замену транзисторам в процессорах с наномасштабными элементами.

Colourbox

В нашем мире стрелка компаса всегда указывает на север, что даёт возможность узнать направление на восток и на запад. Разнополярные магниты притягиваются, а однополярные отталкиваются. В микромире масштаба нескольких атомов в определённых условиях магнитные процессы происходят иначе. При ближнем взаимодействии атомов кобальта, например, соседние области намагниченности рядом с ориентированными на север атомами ориентируются на запад. Если ориентация изменится на южную, то атомы в соседней области изменят ориентацию намагниченности в направлении востока. Что важно, управляющие атомы и атомы ведомые расположены в одной плоскости. Раньше подобный эффект наблюдался только у вертикально расположенных атомных структур (друг над другом). Расположение управляющих и управляемых участков в одной плоскости открывает путь к проектированию вычислительных и запоминающих архитектур.

Изменять направление намагниченности управляющего слоя можно как электромагнитным полем, так и с помощью тока. С помощью таких же принципов происходит управление транзисторами. Только в случае наномагнитов архитектура может получить толчок к развитию как по производительности, так и по экономии потребления и по уменьшению площади решений (уменьшение масштаба техпроцесса). Вентилями в данном случае будут работать связанные зоны намагниченности, управляемые переключением намагниченности основных зон.

Paul Scherrer Institute/Zhaochu Luo

Феномен связанной намагниченности был выявлен в особенной конструкции массива. Для этого слой кобальта толщиной 1,6 нм был окружён сверху и снизу подложками: снизу из платины, а сверху из оксида алюминия (на картинке он не показан). Без этого связанной намагниченности север-запад и юг-восток не происходило. Также обнаруженный феномен может привести к появлению синтетических антиферромагнетиков, это тоже может открыть путь к новым технологиям для записи данных.

Группа учёных под руководством исследователей из Калифорнийского технологического университета смогла сделать небольшой, но значимый шаг в разработке произвольно программируемых химических компьютеров. В качестве базовых вычислительных элементов в таких системах используются наборы ДНК, которые по своей природной сущности обладают способностью к самоорганизации и росту. Всё, что надо для работы вычислительных систем на основе ДНК ― это тёплая солоноватая вода, закодированный в ДНК алгоритм роста и базовые стандартные наборы ДНК-последовательностей.

Вычисления с помощью ДНК подобны работе ткацкого станка, где каждый новый слой ― это шаг исполнения одной команды (Erik Winfree/Caltech)

До сих пор «вычисления» с помощью ДНК проводились строго с использованием какой-либо одной последовательности. Для произвольных вычислений действующие методики не годились. Учёные из Калтеха (Caltech) смогли преодолеть это ограничение и представили технологию, которая может выполнять произвольные алгоритмы, используя один базовый набор из условно логических ДНК-элементов и отвечающую за алгоритм «расчёта» выборку из 355 базовых ДНК-последовательностей ― аналога компьютерных инструкций. В солевой раствор вносится логическое «семя» и набор «инструкций», после чего начинается расчёт ― сборка последовательности.

Примеры алгоритмов с использованием вентилей-ДНК и набором заданных последовательностей

Базовый элемент или «семя» представляет собой ДНК-свёртку (ДНК оригами) ― это нанотрубка длиной 150 нм и диаметром 20 нм. Структура «семени» остаётся практически неизменной вне зависимости от алгоритма, который будет вычисляться. Периферия «семени» сформирована таким образом, что на его окончании стартует сборка последовательностей ДНК. Растущая нить ДНК, как известно, собирается из последовательностей, которые по молекулярной структуре и химическому составу подходят предложенным последовательностям, а не случайным образом. Поскольку периферия «семени» представлена в виде шести условных вентилей, где каждый вентиль обладает двумя входами и двумя выходами, рост ДНК начинает подчиняться заданной логике (алгоритму) который, как уже сказано выше, представлен помещенным в раствор заданным набором ДНК-последовательностей из 355 базовых вариантов.

Учёные в ходе опытов показали возможность исполнения 21 алгоритма, включая счёт от 0 до 63, выбор лидера, определение деления на три и другие, хотя этими алгоритмами всё не ограничивается. Процесс вычисления идёт шаг за шагом, по мере роста нитей ДНК на всех шести выходах «семени». Этот процесс может занимать от одних до двух суток. На изготовление «семени» уходит существенно меньше времени ― от часа до двух. Результат расчётов можно воочию увидеть под электронным микроскопом. Трубка разворачивается в ленту, а на ленте в местах каждого значения «1» на последовательности ДНК присоединяется видимая в микроскоп молекула протеина. Нули в микроскоп не видны.

Развёрнутые последовательности ДНК под электронным микроскопом после вычисления . Цифры ― это код алгоритма, выгравированный на «семени», а всё что справа от цифр ― это последовательность выполнения команд в виде выросших нитей ДНК. На ленте видны только единицы благодаря молекулам протеина (Damien Woods/Maynooth University)

Безусловно, в представленном виде технология далека от выполнения полноценных расчётов. Пока это похоже на чтение ленты с телетайпа, растянутое на двое суток. Тем не менее, технология работает и оставляет за собой обширное поле для совершенствования. Стало понятно в каком направлении можно двигаться, и что необходимо делать для приближения химических компьютеров.

В этом году первый китайский производитель чипов в лице крупнейшего местного контрактника компании SMIC приступит к выпуску чипов с технологическими нормами 14 нм и вертикальными транзисторами FinFET. Вторым китайским производителем чипов, который тоже освоит 14-нм технологические нормы и транзисторы FinFET, станет шанхайская компания Huali Microelectronics (HLMC). Об этом в четверг на открытии выставки SEMICON China 2019 сообщил вице-президент HLMC по исследованиям и разработкам Шао Хуа (Shao Hua).

Внедрение в производство 14-нм техпроцесса, разработанного в Китае, компания Huali Microelectronics намечает в конце 2020 года. В активе компании 28-нм техпроцесс HKC и готовится к внедрению в производство в конце текущего года техпроцесс 28 нм HKC+. Оба техпроцесса сродни известным нам по техпроцессам TSMC, GlobalFoundries, Samsung и Intel под аббревиатурой HKMG (изолятор с высоким значением диэлектрической константы с напылением металлических затворов транзисторов). Техпроцесс 28 нм HKC относится к выпуску производительных чипов, а 28 нм HKC+ позволяет выпускать решения со сверхнизким потреблением. Компании Huali, кстати, приписывают производство 28-нм x86-совместимых процессоров компании Zhaoxin (реализация и продолжение разработок тайваньской VIA Technologies).

Действующее производственное предприятие Huali Microelectronics по обработке 300-мм кремниевых пластин (завод Huahong No. 5) способно ежемесячно обрабатывать 35 000 пластин. Поддерживаемые техпроцессы: 55, 40 и 28 нм. В октябре прошлого года компания ввела в строй свой второй современный завод с проектной мощностью 40 000 300-мм пластин в месяц. На строительство и оснащение предприятия ушло почти два года. Пока это производство может ежемесячно обрабатывать по 10 000 пластин с 28-нм чипами, но в последующем именно на нём будет внедрён выпуск 14-нм решений.

Как сообщает сайт IEEE Spectrum, с конца февраля по начало марта на базе бельгийского центра Imec совместно с американской компанией KMLabs была создана лаборатория для изучения проблем с полупроводниковой фотолитографией под воздействием EUV-излучения (в сверхжёстком ультрафиолетовом диапазоне). Казалось бы, что тут изучать? Нет, предмет для изучения есть, но зачем для этого учреждать новую лабораторию? Компания Samsung ещё полгода назад приступила к выпуску 7-нм чипов с частичным использованием сканеров диапазона EUV. Вскоре к ней в этом присоединится компания TSMC. К концу года обе они начнут рисковое производство с нормами 5 нм и так далее. И всё же проблемы есть, и они достаточно серьёзные, чтобы ответы на вопросы искать в лабораториях, а не на производстве.

Лазеры широко используются для безопасного анализа полупроводников (KMLabs)

Главной проблемой в EUV-литографии сегодня остаётся качество фоторезиста. Источником EUV излучения является плазма, а не лазер, как в случае старых 193-нм сканеров. Лазер испаряет каплю свинца в газовой среде и возникающее излучение испускает фотоны, энергия которых в 14 раз выше энергии фотонов в сканерах с ультрафиолетовым излучением. Как результат, фоторезист разрушается не только в тех местах, где он бомбардируется фотонами, но и возникают случайные ошибки, в том числе из-за так называемого эффекта дробного шума. Слишком уж высока энергетика фотонов. Опыты с EUV-сканерами показывают, что фоторезисты, которые ещё способны работать с нормами 7 нм, в случае изготовления 5-нм схем демонстрируют критически высокий уровень брака. Проблема настолько серьёзна, что многие специалисты не верят в скорый успешный запуск 5-нм техпроцесса, не говоря уже о переходе к 3 нм и ниже.

Проблему создания фоторезиста нового поколения будут пытаться решать в совместной лаборатории Imec и KMLabs. И решать они её будут с точки зрения научного подхода, а не с помощью подбора реактивов, как это делалось в последние тридцать с чем-то лет. Для этого научные партнёры создадут инструмент для детального изучения физических и химических процессов в фоторезисте. Обычно для изучения процессов на молекулярном уровне используются синхротроны, но Imec и KMLabs собираются создать проекционную и измерительную EUV аппаратуру на основе инфракрасных лазеров. Компания KMLabs как раз является специалистом по лазерным установкам.

Общий принцип получения гармоник высокого порядка из лазерного импульса

На основе лазерной установки KMLabs будет создана платформа для генерации гармоник высокого порядка (high harmonics). Обычно для этого лазерный импульс высокой интенсивности направляют в газовую среду, в которой возникают весьма высокие гармоники частот направленного импульса. При таком преобразовании происходит значительная потеря мощности, так что напрямую для полупроводниковой литографии подобный принцип генерации EUV излучения использовать нельзя. Но для проведения экспериментов этого достаточно. Самое главное, что результирующим излучением можно управлять как по длительности импульса в пределах от пикосекунд (10^-12) до аттосекунд (10^-18), так и по длине волны от 6,5 нм до 47 нм. Для измерительного инструмента это ценные качества. Они помогут изучить процессы сверхбыстрых молекулярных изменений в фоторезисте, процессы ионизации и воздействие фотонами с высокой энергией. Без этого промышленная фотолитография с нормами менее 3 и даже 5 нм остаётся под вопросом.

Бельгийский исследовательский центр Imec сообщил о разработке недорогой технологии производства нанопористого материала с выдающимися качествами. Уникальный материал в виде наноячеистой структуры обладает чрезвычайно высокой пористостью и беспрецедентным соотношением поверхности к объёму. Представьте себе небольшую банку газировки, 75 % содержимого которой ― это пустоты с общей площадью поверхности с футбольное поле. При этом производство материала довольно простое и не затратное, а в качестве его основы могут быть едва ли не любые металлы. Тем самым спектр применения подобного нанопористого материала может быть очень и очень большим.

Imec

Впрочем, основным назначением нового материала с нанопористой структурой и большой внутренней площадью представляются химические реакции, требующие больших поверхностей для ускорения реакций. Например, это могут быть литиево-ионные аккумуляторы, в которых увеличение площади реакции по преобразованию лития в ионы лития ведёт к росту отдаваемой мощности и к эффективности. Причём металлическая природа наноматериала позволяет прямо к нему подводить токосъёмные контакты. Также пористый материал улучшит работу топливных ячеек и систем по добыче водорода из воды. Вместо каталитической мембраны из вспененного никеля толщиной около миллиметра, например, новый материал в 300 раз тоньше, но даёт тот же эффект, что и никель. Зелёная энергетика и аккумуляторы могут получить шанс на значительное улучшение технологий и решений.

Imec

В производстве новый материал довольно прост, как уже сказано выше. Вначале из алюминиевой фольги методом анодирования изготавливается форма. Затем включается процесс гальванопокрытия с точным дозированием металлического алюминия (либо другого металла). После заполнения пустот в форме последнюю растворяют, освобождая пространственную ячеистую структуру из нанопроводков. Полоска нанопористого материала выглядит как фольга. Она гнётся и не ломается, в отличие от современных нанопористых материалов, изготовленных другим способом. Ждём практической реализации. Тех же батареек нам нужно всё больше и больше.

Наноматериал под микроскопом (Imec)

С 2015 года на основе интереса к квантовым вычислениям компания Intel сотрудничает с нидерландским институтом QuTech. Научные партнёры компании продвинулись в изучении как сверхпроводящих кубитов и систем на их основе, так и в изучении систем на кремниевых спиновых кубитах. И хотя научные коллективы QuTech остаются главной опорой Intel в изучении квантовых платформ компании, мировое научное сообщество начинает потихоньку включаться в процесс изучения квантовых вычислителей микропроцессорного гиганта.

Однокубитовый кремниевый чип Intel

На конференции общества American Physical Society, которая стартовала в этот понедельник, был прочитан целый ряд докладов по изучению кремниевых спиновых кубитов Intel и возможности их использования в качестве квантовых вычислителей. Также представители Intel рассказали о совершенствовании технологического процесса производства условных процессоров на кремниевых спиновых кубитах. По мере появления полных текстов докладов мы постараемся найти самые интересные из них, а пока вкратце сообщим об обсуждаемых вопросах.

Чипы в виде кремниевых спиновых кубитов компания выпускает на своём заводе D1D в Орегоне на тех же самых линиях, где производятся 14-нм и 10-нм x86-совместимые процессоры. Для производства кремниевых кубитов компания использует специально выращенные пластины со слоем из одного изотопа ― это так называемые изотопно-чистые пластины. Технология производства, тем не менее, это всё тот же литографический процесс с погружением в жидкость (иммерсионная полупроводниковая литография). Роль кубита играет одиночный электрон. По сути, это одноэлектронный транзистор, поэтому технологию производства не пришлось кардинально менять.

В настоящий момент компания поставляет научным коллективам одно- и двухкубитовые чипы, а также работает над созданием матричных массивов и двумерных массивов, тогда как раньше связность (запутанность) кубитов достигалась только в линейных конструкциях. Из нового доклада Intel следует, что при производстве двумерных массивов кремниевых спиновых кубитов используются сквозные TSVs-соединения и BGA-упаковка flip-chip. Вскоре Intel обещает представить 7-кубитовые и 17-кубитовые кремниевые спиновые процессоры в дополнение к уже изучаемым 2-кубитовым. Напомним, партнёры Intel используют спиновые квантовые процессоры компании для свободного программирования алгоритмов, а не для симуляции физических квантовых явлений. Это действительно вычислитель.

Кремниевая 300-мм пластина с квантовыми процессорами на основе спиновых кубитов

Параллельно научные партнёры Intel разрабатывают математические модели и примитивы для адаптации к квантовым вычислениям. Создаются инструменты для изучения характеристик кремниевых спиновых кубитов как при комнатной температуре, так и при температуре около 1,6 К, с планами в дальнейшем начать изучать поведение спиновых кубитов при температурах в несколько милликельвинов. Снятие рабочих характеристик, методика определения которых постоянно совершенствуется, позволит уменьшить разброс параметров и выведет на массовое производство кремниевых квантовых процессоров.