Новости Hardware → нанотехнологии
Главная новость

Первые трёхмерные интегральные схемы из нанотрубок

Исследователи из Стэнфордского университета (Stanford University) создали первые трёхмерные электронные схемы из нанотрубок. Данное достижение может стать важнейшим шагом на пути к компьютерам с вычислительными элементами на основе нанотрубок, обладающим превосходящим сегодняшнюю "кремниевую" технику быстродействием и потребляющим меньше энергии. До их появления должно пройти ещё не менее 10 лет, но значительность результата стэнфордских учёных в том, что показана принципиальная возможность "послойного" размещения наноэлементов из углерода. Подобные чипы будут иметь большую вычислительную мощность на единицу площади и лучше рассеивать тепло. Недавнее исследование компании IBM показало, что для некоторого количества потребляемой мощности электроника из нанотрубок функционирует в пять раз быстрее, чем кремниевая. "Мы можем и дальше уменьшать размеры транзисторов, но в очень малых масштабах они прекращают показывать желаемые характеристики, - говорит управляющий углеродными технологиями в IBM Watson Research Center Жионг Чен (Zhihong Chen). – Поэтому мы ищем альтернативные материалы, размеры элементов из которых можно уменьшать более агрессивно с сохранением быстродействия". Исследователи уже достигли некоторого успеха в изготовлении единичных транзисторов из нанотрубок в лабораториях, однако до сих пор комплексные цепи из них получать не удавалось вследствие невозможности контроля качества каждой отдельной нанотрубки. Стэнфордская разработка, представленная на прошедшей международной конференции International Electron Devices Meeting (IEDM) 2009 в Балтиморе, открывает возможность создания сложных структур несмотря на ограничения материалов. Как рассказывает профессор электронной инженерии Филип Вонг (Philip Wong), работа со множеством элементов в наномасштабе означает возникновение сложностей с формированием идеальных структур. Вырастив массив нанотрубок для дальнейшего создания из них электрических схем, исследователи получили смесь из полупроводниковых металлических трубок, которая имела тенденцию к коротким замыканиям. Некоторые из нанотрубок были объединены в прямые линии, другие же имели вид изогнутых форм, и это в том числе являлось препятствием. Пока химики занимаются методами выращивания исключительно прямых структур без примесей, команда Вонга поставила себе задачу ответить на вопрос, каким образом можно обойти проблему или смягчить оказываемый ею эффект. Ответ заключается в конструкции схем. Необходимо вместо удаления металлических нанотрубок учесть их присутствие и разрабатывать соответствующий дизайн электронных цепей. Для начала учёные создают пустую разметку, и при помощи матрицы переносят выровненный однослойный массив углеродных нанотрубок, выращенных на кварцевой подложке, на кремниевую пластину. Над массивом помещаются металлические электроды. Между нанотрубками и кремнием находится выступающий тыловым затвором изолирующий слой, который позволяет прекратить подачу питания на полупроводниковые трубки перед использованием электродов для сжигания металлических нанотрубок разрядом электричества. Верхний затвор располагается так, чтобы не контактировать с выбивающимися из общей ровной структуры трубками. Наконец, металлические электроды удаляются как излишний компонент. Трёхмерная схема получается простым повторением процесса. Такое "штампование" является ключевым в создании многослойной структуры, потому что производится при низких температурах без повреждения металлических электрических контактов. По словам возглавляющего технологическую микропроцессорную лабораторию Intel Шекара Боркара (Shekhar Borkar), пока стэнфордская команда продемонстрировала небольшие и простые схемы наподобие кремниевых 1960-х годов. Например, был изготовлен "калькулятор", способный складывать и хранить числа. В настоящий момент учёные пытаются получить более сложные решения. Углеродные нанотрубки не ставят на этом пути фундаментальные барьеры. Их массивы в лабораториях исследователей одни из самых плотных, с 5-10 трубками на микрометр, но и этого пока недостаточно – требуемая цифра на порядок больше.

Быстрый переход

Intel усовершенствовала транзисторы следующего поколения

Intel заявила об успешном изготовлении полевого транзистора с использованием индий-галлий-арсенида (InGaAs) на кремниевой подложке путём интегрирования затвора с высокой диэлектрической постоянной. Изолятор с высоким значением этого параметра позволяет уменьшить толщину оксида затвора без последствий в виде роста утечек зарядов. Получившийся комплексный полупроводниковый элемент с квантовыми ямами (quantum-well FET, QFET; квантовая яма – это структура, где частицы ограничены одной координатой) продемонстрировал высокие скорость переноса и ток возбуждения, что делает архитектуру InGaAs-on-Si привлекательным решением, но масштаб элементов должен быть снижен перед коммерциализацией технологии.
Снимок просвечивающего электронного микроскопа
По словам вице-президента Technology and Manufacturing Group и директора подразделения исследований компонентов в Intel Labs Майка Мэйберри (Mike Mayberry), длина затвора составляет 40 нм, однако контакты по-прежнему большие. Следующая задача заключается в их уменьшении, что минимизирует барьер между металлическими контактами и квантовой ямой. Intel более трёх лет работает над составными полупроводниками с целью интегрирования быстродействующих InGaAs-транзисторов на кремниевых подложках. Были преодолены несколько препятствий на пути к коммерциализации полупроводников класса III-V (с элементами соответствующих групп периодической таблицы), включая возможность объединения транзисторов из кремния и InGaAs на одном кристалле и создание элементов p- и n-типа. Чипмейкер разработал диэлектрик с высоким значением диэлектрической постоянной (high-k dielectric), отличный от материала, используемого в кремниевых транзисторах. В новом high-k-материале используется комплексная структура из 4-нм слоя тантала и оксида кремния на 2-нм запирающем слое из индий-фосфора. Чтобы получить высокую мобильность переноса в QFET, два материала буферного слоя – индий-алюминий-арсенид и индий-фосфор – были размещены между диэлектриком и квантовой ямой. Мэйберри уверен, что транзисторы класса III-V могут начать вытеснять традиционные кремниевые технологии с 2015 года, но только если задачи интеграции будут решены. В противном случае такие элементы всё равно станут кандидатами на совмещение с кремнием для специализированных областей, таких как фотонные устройства и транзисторы для периферийной поддержки работы чипа. Материалы по теме: - Новые материалы для транзисторов;
- Toshiba представила спинтронный транзистор;
- IT-Байки: Электроника-2020 – жизнь после смерти кремния.

Источник:

Термохимическая нанолитография «научилась» работать со множеством химикатов

Ученые из Технологического института Джорджии продолжают совершенствовать разработанную ими ранее технологию термохимической нанолитографии (thermochemical nanolithography, TCNL). Общий принцип предложенного процесса заключается в изменении свойств полимерной пленки на подложки с гидрофобных на гидрофильные с помощью «иглы» кремниевого наноскопического зонда атомно-силового микроскопа (atomic force microscope, AFM). В результате появляется возможность закрепления химического вещества по заданному прогревом шаблону. Такой способ формирования наноструктур имеет ряд преимуществ перед другими методами субмикронной литографии, прежде всего – скорость (миллиметры в секунду против десятитысячных долей миллиметра) и отсутствие необходимости в создании вакуума. Согласно заявлениям исследователей, доработки, внесенные ими в техпроцесс, обеспечивают возможность создания независимых шаблонов из нескольких химических веществ, почти в любых наборах и сочетаниях. Это обеспечивает TCNL еще большее преимущество по сравнению с конкурирующими технологиями, поскольку те, как правило, позволяют работать с единственным химическим веществом. Концепция усовершенствований столь же проста, как и метод в целом, и заключается в многократном повторении процесса нагрева-закрепления, по количеству разновидностей химикатов. Разработчики считают, что TCNL обеспечит относительно простую возможность формирования химических наноструктур исследователям из множества отраслей, будь то, например, электроника или биохимия. Предполагается, что новая технология позволит формировать столь сложные структуры, как ДНК. Материалы по теме: - Термохимическая нанолитография – основа 12-нм техпроцесса?;
- Toshiba за импринт-литографию для 22-нм техпроцесса.

Технология многоядерных 3D-CPU с революционным охлаждением

По достижении температуры около 85° С значительно повышается вероятность нестабильной работы полупроводниковых компонентов, в том числе процессоров. Чтобы преодолеть этот лимит, исследователями из Федеральной политехнической школы Лозанны (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, EPFL) в сотрудничестве с IBM предложено в рамках проекта CMOSAIC решение с использованием технологии многоядерных чипов. Большинство из сегодняшних ПК имеют гордое обозначение "двухъядерный" или "четырёхъядерный". Тем не менее, в своё время наращивание производительности путём увеличения количества ядер на кристалле столкнётся с теми же ограничениями, что характерны для повышения степени интеграции одного ядра.
Технология многоядерных 3D-CPU с революционным охлаждением
Трёхмерные процессоры основаны на идее многоядерных чипов. Но размещаются они иным способом – вертикально, а не бок о бок. Преимущество в том, что вся поверхность одного вычислительного элемента может быть подключена к следующему слою с количеством соединений до 100 тыс. на мм2. Множество коротких проводников приведут к повышению пропускной способности между ядрами, снижению энергопотребления и тепловыделения. Как объясняет Джон Р. Том (John R. Thome) из EPFL, цель не только в увеличении быстродействия, но и в сохранении окружающей среды: "В США вычислительные центры уже потребляют 2% всей энергии. С удвоением этого показателя каждые пять лет суперкомпьютеры в 2100 году теоретически будут нуждаться во всём вырабатываемом в Штатах электричестве". 3D-процессоры используют меньше энергии и генерируют меньше тепла, но они всё же далеки от комнатной температуры. Том разрабатывает революционную систему охлаждения, способную значительно понизить тепловыделение. Ключевой элемент – расположенные между слоями трёхмерного чипа каналы диаметром 50 нм. Они заполнены охлаждающей жидкостью, нагревающейся на выходе из CPU до состояния пара. Затем он конденсируется, и жидкость снова подаётся в процессор. Прототип технологии должен быть протестирован в следующем году. А до внедрения в потребительскую электронику пройдёт несколько лет. Предполагается, что 3D-процессоры попадут в недра суперкомпьютеров к 2015 году, а решения с инновационным охлаждением появятся на рынке к 2020 г. Материалы по теме: - Новые материалы для кремниевых транзисторов;
- Нанотранзисторы «с четкими границами» обещают новые возможности;
- IT-Байки: Электроника-2020 – жизнь после смерти кремния.

Источник:

Новые материалы для транзисторов

Стремительный рост быстродействия компьютеров, мобильных телефонов и коммуникационных сетей в последние 40 лет преимущественно являлся результатом уменьшения размеров транзисторов. Сегодня они становятся настолько миниатюрными, что в действие вступают фундаментальные ограничения законов физики, и вскоре "выжать" из компонентов ещё большую производительность будет невозможно. Исследователи из Лаборатории технологий микросистем Массачусетского технологического института (MIT’s Microsystems Technology Laboratories), возглавляемые профессором Хесусом дель Аламо (Jesús del Alamo), изучают возможность продолжения следования Закону Мура при помощи использования экзотических для транзисторов материалов. На международной конференции International Electron Devices Meeting (IEDM) 2009 они представили свой взгляд на будущее электроники.
Тестовый чип для проверки индий-галлий-арсенида в транзисторах
Группа дель Адамо работает над комбинированными полупроводниками, которые носят такое название по той причине, что в отличие от кремния состоят из нескольких слоёв других материалов. В частности, они содержат элементы из III и V групп периодической таблицы и включают такие соединения, как арсенид галлия и индий-галлий-арсенид. Электроны проходят через эти материалы гораздо быстрее, чем через кремний, и соответствующие полупроводники уже годы используются в быстродействующей электронике, например, обрабатывающей данные в сетях с оптоволоконными линиями. Но как утверждает дель Адамо, транзисторы класса III-V в оптических устройствах на несколько порядков больше, чем в компьютерных кремниевых чипах. Возможно ли сохранить их преимущества при переходе на существенно меньший масштаб – это и есть область интереса исследователей. В компьютерных процессорах транзисторы действуют как переключатели, выполняющие логические операции – сравнение значений или арифметические функции. Однако они также используются для усиления электрических сигналов в радиоэлектронной приёмо-передающей аппаратуре. Ранее дель Адамо демонстрировал транзистор, который установил мировой рекорд в работе с высокочастотным сигналом и превзошёл любой из существовавших до того времени элементов. И хотя этот факт даёт представление о потенциале транзисторов, с точки зрения их функционирования в качестве логических элементов характеристики рассматриваются под иным углом. Чтобы измерить важные параметры, учёные за прошедшее время создали чипы с несколькими идентичными транзисторами за исключением длины их затворов. Когда на затворе есть электрический заряд, на полупроводниковый слой под ним действует электростатическая сила, определяющая способность полупроводника пропускать заряды. Путём сравнения быстродействия транзисторов с разными затворами на различных частотах дель Адамо сумел точно измерить скорость прохождения электронов через каждый элемент и электростатическую силу. По словам учёного, скорость электронов – это ключевой фактор производительности будущей логики, основанной на подобных материалах, и его группа с лёгкостью добилась двукратного роста параметра по сравнению с лучшими сегодняшними кремниевыми аналогами. Электростатическая сила оказалась ниже ожидавшегося уровня, но её измерение позволило построить точные физические модели поведения транзисторов класса III-V. Благодаря им характеристики затвора могут быть улучшены. Модели важны и для демонстрации заинтересованным игрокам индустрии полупроводников, поскольку без наглядного представления лежащих за потенциалом какой-либо разработки физических процессов переход на новую технологию не будет востребован. Дель Адамо также сотрудничает с исследователями из Университета Пердью (Purdue University), создавшими симуляторы для моделирования поведения даже меньших, чем прототипы MIT, транзисторов с материалами из элементов III и V групп. Впрочем, несмотря на быстродействие, у полупроводниковых элементов этого класса есть недостаток, который может не позволить им стать будущим чипов следующего поколения. Используемые в данном случае материалы не так распространены, как кремний, а потому более дорогостоящие. Но хотя прототипы дель Адамо целиком изготовлены из них, он утверждает, что достаточно заменить в кремниевых транзисторах отдельные компоненты на индий-галлий-арсенид, чтобы получить значительный выигрыш. Материалы по теме: - Первые прототипы 32-нм оптоэлектронных чипов;
- Компьютерная сеть моделирует будущие нанометровые транзисторы;
- IT-Байки: Электроника-2020 – жизнь после смерти кремния.

Источник:

1,6-Тб модуль памяти размером с палец

Институт инженерных инноваций (Institute of Engineering Innovation) при Университете Токио (University of Tokyo) в сотрудничестве с Disco Corp, Dai Nippon Printing, Fujitsu Laboratories и WOW Research Center разработал технологию уменьшения толщины 300-мм кремниевых подложек до 7 мкм. Это позволяет реализовать 1,6-Тб модуль памяти в виде решения размером с большой палец путём объединения 100 слоёв 16-Гб чипов методом TSV (through-silicon via – соединения внутри кремния). Презентация разработки состоялась на международной конференции производителей полупроводников IEDM 2009.
Кремниевая пластина толщиной 7 мкм
До сих пор толщину пластин удавалось уменьшить только до 20 мкм. Новая технология использовалась для создания 45-нм устройства на основе КМОП (комплиментарный металл-оксид-полупроводник), сформированного на кремниевой пластине. Уменьшение толщины до 7 мкм не привело к деформации кремния, медных проводников или изолирующих слоёв с низкой диэлектрической проницаемостью транзисторов MOSFET n- или p-типа. Характеристики транзисторов также не ухудшились. Разработку планируется использовать для производства чипов с трёхмерной структурой размещения компонентов. Помимо компактности преимущество технологии формирования 3D-кристаллов на подложке также в более низкой стоимости по сравнению с изготовлением трёхмерных структур из отдельно вырезанных из пластины чипов. Материалы по теме: - Кремний и нитрид галлия продлят действие закона Мура;
- IDF 2009: за горизонтом новых технологий;
- IT-байки: Электроника будущего - бумажная, органическая, фотонная?.

Источник:

Магнитные микродиски – «убийцы» раковых клеток?

Специалисты из подразделения материаловедения лаборатории и Университета Аргона совместно с коллегами из чикагской Медицинской школы Притцкера в ходе своих исследований обнаружили, что наноструктурные магнитные материалы открывают дорогу для зондирования клеточных механизмов, активации механочувствительных ионных каналов, и, в конечном итоге – к расширению арсенала средств противораковой терапии.
схематическое состояние и вид микрочастиц под микроскопом
В отчете об исследовании описано взаимодействие живых клеток с полученными путем литографии микродисками (диаметром 1 микрон и толщиной 60 нм) из никель-железного сплава (пермаллоя), находящимися в спино-вихревом (spin-vortex) состоянии. При приложении внешнего переменного магнитного поля такие микродиски начинают вибрировать, передавая механические колебания клетке. Исследователи пришли к выводу, что механическая стимуляция клетки микродисками сопровождается двумя важными эффектами: нарушением целостности клеточной мембраны и запуском программы самоуничтожения клетки. Пока что обещающие результаты разрушения раковых клеток наблюдались в лаборатории, исследования на животных и преклинические тесты будут проводиться в течение еще нескольких лет. Материалы по теме: - Биочип IBM – диагностика 16 заболеваний в течение 15 секунд;
- Сконструирован робот, который может ползать по венам.

Источник:

Чернила с нанотрубками превращают бумагу в суперконденсатор

Учёные из Стэнфордского университета (Stanford University) применили нанотехнологии, чтобы создать сверхлёгкие, гибкие батареи и суперконденсаторы в виде обычной бумаги. Простое покрытие бумажного листа чернилами с углеродными нанотрубками и нанопроводниками из серебра объединяет эти материалы в устройство хранения заряда. Как известно, конденсаторы способны удерживать заряд в течение меньшего промежутка времени по сравнению с аккумуляторами, но зарядка также происходит существенно быстрее.
Слева - чистая бумага, справа - покрытая чернилами с нанотрубками
По словам доцента материаловедения и инженерии Юи Кю (Yi Cui), используемые им наноматериалы содержат структуры с очень маленьким диаметром, что позволяет чернилам прочно держаться на волокнистой бумаге и делает батареи и конденсаторы износостойкими. Бумажный суперконденсатор выдерживает 40 тыс. циклов накопления и отдачи заряда – как минимум на порядок больше литий-ионных батарей. Ранее Кю уже создавал устройства хранения энергии с использованием пластика. Его новое исследование демонстрирует, что бумажные решения обладают большей прочностью вследствие сил сцепления между чернилами и бумагой. Более того, такую батарею можно изгибать, мять и помещать в растворы без последствий для характеристик. "Мы только не пробовали жечь устройства", - говорит доцент. Подсчёты показали, что покрытая килограммом чернил с нанотрубками бумага будет питать 40-Вт лампу около часа.
Гибкий бумажный суперконденсатор
Гибкость бумаги позволяет найти высокотехнологичным решениям на её основе множество применений. Суперконденсаторы пригодны для электрических или гибридных автомобилей, для которых важно время подзарядки. Преимуществом является отношение площади поверхности бумажных суперконденсаторов к их объёму. Исследователи утверждают, что коммерциализация разработки не затянется, а особые перспективы Кю видит в крупномасштабных распределительных сетях: генерируемое ночью чрезмерное количество энергии может быть сохранено для периодов пиковых нагрузок в течение дня. Не менее привлекательна новая технология и для "ферм" из ветрогенераторов или солнечных систем генерирования электроэнергии. Материалы по теме: - Солнечные батареи на перчатках и шапке;
- Увеличиваем время работы от батарей – рекомендации Intel;
- Батареи с ионной жидкостью – прорыв среди аккумуляторов.

Будущее компьютерной памяти: 5 революционных технологий

Некоторое время назад сложно было поверить, что огромная коллекция музыки может поместиться на одном небольшом устройстве, едва превышающем по размерам ладонь. То же относится к тысячам снимков в высоком разрешении и карманным фотокамерам. Всего за несколько десятилетий в области технологий хранения данных произошли разительные перемены, а появление флеш-памяти без преувеличения можно назвать революцией. Но время не стоит на месте, и следующей вехой в "потребительской" хронологии должны стать чипы, которые будут способны хранить сотни фильмов в HD-качестве либо всю мировую библиотеку книг. Чтобы воплотить эти мечты в реальность, по всему миру в лабораториях совершенствуют текущие и разрабатывают новые технологии, самые удачные из которых обязательно попадут на рынок – прогресс нельзя остановить. "Суперпамять" близка к реализации взгляда на технологии, высказанного физиком Ричардом Фейнманом (Richard Feynman) 50 лет назад. В ходе лекции для Американского физического общества (American Physical Society) он рассуждал, возможно ли будет когда-нибудь записать 24 тома энциклопедии "Британика" на булавочную головку. Физик подсчитал, что каждая крошечная точка каждой печатной буквы должна быть для этого уменьшена до 1000 атомов – квадрата со стороной 9 нм. Сегодня принцип хранения информации в электронных устройствах, конечно, отличается от условных расчётов Фейнмана, но размер единичного элемента хранения известен – около 40 нм в коммерческих устройствах на основе флеш-памяти. Всего несколько месяцев назад начались поставки первого чипа, на который возможно записать 64 Гбит данных. Фейнман вёл речь, вероятно, о терабайтах. Технологии устройств памяти следующего поколения будут использовать новые материалы, обладать временем доступа в единицы наносекунд и хранить информацию как минимум десятки лет без перезаписи. Сложно назвать чёткие сроки, когда же на полках магазинов появится "суперфлешка", но многомиллиардные доходы полупроводниковой индустрии не дают сомневаться, что для этого предпринимаются все возможные усилия, и на звание технологий следующего поколения уже есть претенденты. MRAM
MRAM
MRAM (magnetoresistive random access memory – магниторезистивная память с произвольным доступом) является "долгожителем" семейства технологий, призванных заменить флеш – несколько компаний трудятся над ней ещё с 1990-х годов. Конструкция представляет собой два тонких слоя ферромагнитного материала, каждый разделён на ячейки. Один из слоёв является постоянным магнитом с неизменным направлением намагниченности. Намагничивание другого может изменяться на 180° путём приложения внешнего магнитного поля или напряжения. Взаимная ориентация намагниченности воспринимается как 1 или 0. Такое решение имеет свои сильные и слабые стороны. К первым принадлежит энергонезависимость, возможность быстрого и простого контроля намагниченности и соответственно скорость доступа (порядка нескольких нс), ко вторым – тенденция к изменению состояния соседних ячеек во время перезаписи одного из битов. Данная проблема является большой головной болью для исследователей. По словам физика Джеймса Скотта (James Scott) из Кэмбриджского университета (University of Cambridge), до сих пор это препятствие не устранено. Ёмкость чипов пока ограничена 32 Мбит. Такие компании, как Hitachi и Toshiba, продолжают работать над MRAM, поддерживая веру в её будущее. FeRAM FeRAM (ferroelectric random access memory – сегнетоэлектрическая память с произвольным доступом) относительно близка к флеш-памяти. В ней также используются электрические явления для контроля за подобной транзистору структурой, но вместо потоков свободных электронов объектом управления выступают электрические заряды в комплексных кристаллах, известных как ферроэлектрики, или сегнетоэлектрики. В этих диэлектриках небольшое внешнее электрическое поле может заставить положительно и отрицательно заряженные ионы изменить свои дипольные моменты и установить стабильную электрическую поляризацию. В зависимости от её направления значение сегнетоэлектрического бита воспринимается как 1 или 0. Небольшое приложенное к кристаллу напряжение изменяет поляризацию и соответственно состояние бита. Процесс происходит очень быстро – менее наносекунды – и требует незначительной расходуемой мощности, а количество циклов записи намного превышает возможности флеш-памяти и достигает значения нескольких миллиардов. Но FeRAM не лишена и "ахиллесовой пяты". "Проблема в том, что FeRAM основана на зарядах", - поясняет физик Райнер Васер (Rainer Waser) из Университета Аахена (RWTH Aachen University) в Германии. Чтобы изменить состояние сегнетоэлектрика с приемлемой скоростью, рядом должны храниться дополнительные заряды, поэтому каждая ячейка такой памяти содержит конденсатор, ограничивающий плотность размещения элементов. На данный момент эксперты не видят возможности для FeRAM обладать такой же ёмкостью чипа, как в микросхемах флеш-памяти. Тем не менее, низкое энергопотребление может пригодиться при решении тех задач, где экономия важнее ёмкости. В феврале 2009 года Toshiba анонсировала прототип 128-Мб чипа FeRAM. PCRAM PCRAM (phase-change random access memory – оперативная память с изменением фазовых состояний) технологии того же ряда, что применяются в перезаписываемых оптических дисках. Информация хранится в атомных структурах материалов, имеющих два возможных фазовых состояния: аморфное, схожее с оконным стеклом с неупорядоченными атомами, и кристаллическое. В последнем случае материал электропроводен, тогда как в аморфном состоянии это изолятор. Подобный материал в PCRAM заключён между двумя электродами, и для переключения между фазами необходим лазерный импульс или электрический ток, чтобы расплавить вещество. Длительное воздействие приводит к формированию кристаллической решётки, а при коротком импульсе материал охлаждается до аморфной фазы.
PCRAM
Недостаток – в необходимости передачи энергии для нагрева элементов памяти до нескольких сотен °С, на что уходит значительное количество энергии, хотя с уменьшением устройств на основе PCRAM уровень потребляемой мощности будет снижаться. Зато плотность размещения элементов хранения очень высока: всего несколько атомов нужны для создания ячейки, способной менять состояние с кристаллического на аморфное. Специалисты считают, что реальным значением является 5 нм - почти в 10 раз меньше, чем во флеш-памяти. Более того, время переключения PCRAM может достигать 1 нс. Но с уменьшением этого параметра стабильность состояния материала также снижается, поэтому пока значение скорости переключения в 10-100 раз медленнее теоретического потенциала. Сегодняшняя задача инженеров – достижение оптимального соотношения скорости и стабильности. Samsung недавно представила чип PCRAM ёмкостью 512 Мб. RRAM RRAM (resistive random access memory – резистивная память с произвольным доступом) по масштабам элементов хранения битов сравнима с PCRAM. Только вместо изменения фазового состояния под действием тепла здесь используется электрохимическая реакция. Материалом для резистивной памяти выступает непроводящий оксид, такой как оксид титана. Когда к кристаллу приложено высокое напряжение, удерживающие атомы кислорода связи начинают разрушаться. Кислород оставляет за собой "дырки" и свободные электроны, способные стать носителями зарядов. "Дырки" стремятся сформировать узкие ряды, или электропроводные каналы в кристалле. Обратное напряжение возвращает кислород, снова превращая материал в диэлектрик. Такие переходы создают устойчивые состояния памяти, которые изменяются только под действием высоких значений напряжения определённой полярности. RRAM является быстродействующей технологией с низким энергопотреблением. По словам Стэна Уильямса (Stan Williams) из лаборатории Hewlett-Packard Laboratories в Пало-Альто, Калифорния, переключение состояний происходит в считанные наносекунды, а требуемая энергия измеряется пикоджоулями. Это сотая часть от необходимого флеш-памяти количества. Масштаб битов также впечатляет – переключение может происходить на одном нанометре. Впрочем, и здесь проблема со стабильностью. Если бит с высоким сопротивлением расположен сразу за таковым с низким, тогда электрический ток может "задеть" соседний участок и изменить его состояние. Данное препятствие решают в настоящий момент Hewlett-Packard и другие компании. RRAM примечательна не только благодаря способности хранить информацию. В 2008 году Уильямс с коллегами обнаружил, что устройство на основе резистивной памяти имеет характеристики мемристора – теоретического четвёртого основного элемента электрической цепи после резистора, конденсатора и индуктивности. Мемристор отличается от обычного резистора способностью принимать разные значения сопротивления в зависимости от заряда, который прошёл через него в прошлом. Это делает компонент моделью аналоговой вычислительной единицы человеческого мозга, но с оговоркой: работает она значительно быстрее настоящего синапса и с меньшими затратами энергии. Трековая память (Racetrack memory)
Racetrack memory
Большинство дорог к "суперпамяти" ведут через поиск путей манипулирования атомами и их свойствами в нанометровом масштабе. Однако некоторые учёные уверены, что внимание нужно обратить на конструкцию памяти. Например, трёхмерная архитектура позволит совершить новый прорыв. В трековой памяти биты хранятся в виде крошечных доменов намагниченности, почти как в жёстких дисках. Отличие в том, что эти элементы памяти не являются монолитными блоками, а ведут себя как бусины на магнитном нанопроводнике. Электрический ток перемещает домены , проходящие через считывающие и записывающие головки. Скорость процесса достигает 200 м/с, что эквивалентно времени чтения в десятки наносекунд. Это сравнимо с сегодняшними видами памяти, но преимущество трековой заключается в ёмкости. Плоский проводник микрометрового размера способен хранить данные с не меньшей плотностью, чем флеш-память. Истинный потенциал кроется в изменении конфигурации нанопроводников с двумерной на трёхмерную, когда трековая память сможет хранить в сотни раз больше битов по сравнению с флеш-памятью на той же площади. Однако подобных прототипов ещё не существует. Материалы по теме: - Чип размером с ноготь сможет хранить 20 DVD;
- IT-Байки: За миллиард лет до стирания памяти;
- IT-Байки: Электроника-2020 – жизнь после смерти кремния.

Источник:

Компьютерная сеть моделирует будущие нанометровые транзисторы

В Великобритании сеть из тысяч компьютеров работает над симуляцией транзисторов, размеры которых не превышают 30 нм. Результаты должны помочь разработчикам чипов справиться с физическими ограничениями, проявляющими себя при создании элементов в столь малом масштабе. Уже затрачено около 20 лет вычислительного времени на моделирование сотен тысяч полупроводниковых компонентов.
Пороговое напряжение как функция количества атомов примесей в транзисторе
Исследователи надеются понять, как меняется поведение миниатюрных компонентов, чтобы в будущих поколениях чипов их размер стал ещё меньше. "Мы занимаемся прогнозированием поведения этих устройств на уровне возникающих в атомном масштабе эффектов", - объясняет возглавляющий группу исследователей профессор Асен Асенов (Asen Asenov) из Университета Глазго (University of Glasgow), который занимается проектом распределённых вычислений NanoCMOS. Увеличивающаяся мощность кремниевых чипов преимущественно диктуется габаритами компонентов, размещаемых производителями на кремниевых подложках. Текущее поколение транзисторов достигает 32 нм, однако многие компании уже тестируют оборудование для изготовления 22- и 20-нм элементов. Как утверждает Асенов, проблемы начали досаждать несколько поколений производственных технологий назад, и сегодня физические ограничения являются одним из главных препятствий движения индустрии вперёд. Атомная структура транзисторов в таких масштабах не может точно контролироваться, поэтому для обеспечения их работоспособности приходится включать примеси. Учёные не пытаются найти идеальную конструкцию полупроводниковых компонентов, а занимаются изучением материалов и их верного расположения на кристалле. Ранее кремниевые чипы были идентичны в плане функционирования их компонентов, но с приближением к 30-нм масштабу и его преодолением ситуация изменилась. Производители более не могут создавать идеальные ряды транзисторов, и должны, считает профессор, перейти к избыточности, самоорганизации и самотестированию. Материалы по теме: - Нанотранзисторы «с четкими границами» обещают новые возможности;
- Бумажные транзисторы – альтернатива кремнию;
- IT-байки: На ближних подступах к эре графеновой электроники.

Источник:

window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥