Микросхемы — тема, которая может показаться не самой интересной для технически не подкованного читателя. Но именно от этих узорчатых малышей зависит то, какими будут все человеческие технологии в будущем. Причем в будущем самом ближайшем, так как уже сегодня микросхемы, по мнению многих исследователей, вплотную подошли к той черте, за которой их развитие становится невозможным.
Речь идет о пределах Закона Мура, согласно которому количество транзисторов на чипе удваивается каждые два года. Долгое время эта концепция была одной из движущих сил отрасли микроэлектроники. Но сегодня человечество приблизилось к физическому пределу создания микросхем: чем меньше становятся транзисторы, тем серьезнее становятся проблемы рассеивания тепла, квантового туннелирования и многие другие, с которыми классическая микроэлектроника справиться не может.
Что же с этим уже делают, планируют или только фантазируют делать современные ученые? В одном из предыдущих выпусков журнала «Мир робототехники» исследовались тенденции технологического развития микросхем, так что приглашаю технически не подкованного читателя вместе с технически не подкованным автором без излишней «научности» поразмыслить над тем, какими будут чипы будущего.
Маленький мозг для большого разума
Отрасль микроэлектроники развивается, чему способствует, в первую очередь, искусственный интеллект. Разуму будущего нужны современные мозги. Именно ростом функциональности моделей и спроса на них обусловлено стремление создавать уже не просто чипы, а суперчипы. При этом такие устройства должны быть не только производительными: чем меньше их размер, тем реальнее становится использование полноценного ИИ в портативных устройствах, например, ноутбуках и смартфонах.
Последний момент нужно прояснить. Дело в том, что сегодня взаимодействие человека с нейросетями происходит через облако. Фактически запросы, которые получает ИИ-агент на смартфоне, обрабатываются на серверах компаний — разработчиков конкретной модели. Ключевой минус такого «общения» — необходимость подключения к интернету. Кроме того, под угрозой оказываются данные, которые пользователь передает производителю ИИ. Это рождает интерес к периферийным вычислениям непосредственно на носимом устройстве.
Чипы для таких периферийных устройств должны быть компактными, надежными и энергоэффективными.
Жидкий камень и твердая вода
Самым приземленным из всех путей развития микроэлектроники кажется создание новых материалов и технологий производства чипов. Начнем с первого: грубо говоря все современные микросхемы — назовем их традиционными — сделаны из кремния. Долгое время именно этот материал, по сути, определял микроэлектронику в целом. Но, несмотря на свою важную роль, именно кремний — одна из главных причин стагнации технологий.
Именно поэтому современные исследователи все чаще обращаются к таким материалам, как графен, нитрид галлия, карбид кремния и многим другим. Их важная особенность — высокая энергоэффективность, термостойкость, а также производительность. Все это делает их идеальными для микросхем.
Но тестирование разных материалов — далеко не самый фантазийный — а мы ведь фантазируем — путь развития микросхем. Как насчет жидкой микроэлектроники?
«Жидкий компьютерный чип» разработали эксперты из Национального института стандартов и технологий (NIST). Их решение работает путем имитации улавливания ионов в графене, плавающем в солевом растворе. Команда использовала графеновый лист размером 5,5 на 6,4 нанометра с небольшими отверстиями, заполненными атомами кислорода.
Лист был помещен в воду с хлоридом калия, который распадается на ионы калия и натрия. Кислород в отверстиях листа улавливал положительные ионы. Активность этого улавливания можно было регулировать, подавая на лист напряжение разной силы. Таким образом удалось воссоздать бинарные логические операции со значениями «1» и «0».
Важно, что такие «жидкие» чипы — это объединение программного и аппаратного обеспечения, что, в свою очередь, прокладывает прямой путь к максимально компактным компьютерам. Такой подход убирает узкое место между хранением и оперативным применением информации внутри вычислительной системы.
Но самое удивительное — это то, как «жидкие» чипы могут изменить не только микроэлектронику, но и самого человека. Жидкость принимает любую форму, а значит, устройства могут быть интегрированы внутрь человеческого тела и взаимодействовать с ДНК-компьютерами. Таким образом человеческое тело превращается в суперкомпьютер.
Мозговая матрешка
Несколько слов о ДНК. Да–да, даже эти сугубо биологические конструкционные элементы оказывают влияние на микроэлектронику. ДНК компактны и энергоэффективны, что делает их использование перспективным с точки зрения создания суперкомпьютеров.
Например, китайские ученые разработали новый способ хранения и передачи информации на основе ДНК-оригами — техники «складывания» цепочки ДНК в сложные фигуры. Это происходит благодаря находящимся в молекуле азотистым основаниям, которые могут формировать между собой пары строго определенным способом.
Регистры на основе этой технологии можно интегрировать с вычислительными схемами (программируемым логическим массивом на основе ДНК), передавать сигналы между схемами и выполнять последовательно сложные задачи. Однако существующие регистры поддерживают только единоразовую запись, а передача данных требует их долгих и трудоемких перемещений.
Китайским специалистам удалось разработать твердотельный ДНК-оригами-регистр, который сжимает входные данные из 3D в 2D. Важно отметить, что благодаря сжатию исчезает потребность в перемещении, что сокращает время обработки информации до одного часа и меньше. Регистры интегрируются в специальный раствор, в который после обновления схемы считываются записанные данные. Одновременно с этим регистр очищается, позволяя записать новую информацию.
Отдельный регистр может содержать около 200 адресуемых ячеек памяти, каждая из которых содержит три домена: адрес, записывающую и считывающую ножки. Он основан на реакциях, управляемых свободной энергией. При этом точка опоры для записи длиннее, чем точка опоры для чтения — 7 и 5 нуклеотидов соответственно. Обе операции — запись и чтение данных — приводят к снижению свободной энергии, обеспечивая высокую эффективность записи и чтения. В ходе тестов процесс записи данных был завершен в течение 10 минут, а процесс считывания — через 5 минут после подачи соответствующей команды.
Солнечное травление
Кроме в хорошем смысле безумных «жидких» решений и ДНК-памяти, есть еще и «мягкие» чипы, и природоподобные (о которых мы поговорим чуть позже), и многие другие экспериментальные технологии. Но пока они остаются экспериментальными, человечеству приходится выжимать максимум из традиционных чипов. А это возможно только за счет изменения подходов к производству микросхем.
Центральную роль здесь играет экстремальная ультрафиолетовая литография (EUV). В этой технологии применяется свет с чрезвычайно короткой длиной волны, что позволяет создавать более мелкие и сложные схемы. EUV — основной инструмент борьбы за лидерство в создании тонких чипов с архитектурой 5 нм и меньше. Энтузиасты этой технологии уверены, что она позволит создать более компактные и энергоэффективные микросхемы, что расширит границы Закона Мура.
Кстати, именно литография — область, на примере которой можно продемонстрировать, как что-то новое в отрасль могут принести «зрелые» технологии. Например, китайская компания SiCarrier, планирует наладить производство пятинанометровых чипов с помощью технологии самонастраивающейся четырехкратной литографии (SAQP). Речь идет о технологии глубокой ультрафиолетовой литографии (DUV), предшествующей EUV.
Важно, что SAQP позволяет создавать пластины 5 нм без экстремального ультрафиолетового излучения, что делает технологию значительно дешевле EUV.
Новое здание из старых кирпичей
Перспективными также выглядят работы по изменению архитектуры чипов. Такие компании, как SambaNova, Cerebras и Graphcore, пытаются переработать саму базу микросхем. Например, первая вместо традиционных транзисторов предлагает использовать новый компонент «транзистор с протонным затвором». Он позволяет устройствам хранить и обрабатывать данные в одном месте, экономя время и вычислительную энергию.
Для такого «транзистора» даже был придуман новый материал, который позволяет точно контролировать проводимость при комнатной температуре.
Другой подход — создание архитектуры с открытым кодом RISC-V. Эту инициативу поддерживают такие гиганты, как Apple и Google. RISC-V предлагает настраиваемую и экономичную альтернативу традиционным архитектурам чипов. Такая демократизация проектирования чипов может привести к появлению новых инноваций и усилению конкуренции на рынке.
И последнее чисто архитектурное изменение, о котором хочется сказать в этой статье, — 3D-интеграция, большое значение для которой имеют углеродные нанотрубки. По сути, речь идет о переносе традиционных чипов из плоскости в трехмерное пространство. Но это не просто наложение слоев, а создание более эффективной архитектуры для выполнения сложных задач.
Этот подход, наряду с новыми технологиями литографии и материалами, выглядит наиболее реалистичным и практичным с точки зрения актуального развития микроэлектроники. Кстати, активное участие в нем принимает и один из ключевых потребителей современной микроэлектроники — ИИ. Нейросети применяются для проектирования как материалов, так и принципов архитектуры чипов. Технологии улучшают качество и стабильность производства, точность и эффективность конечных решений.
Пересобрать мозг
Дальше поговорим о, наверное, самых передовых направлениях в развитии чипов — нейроморфной и квантовой инженерии. Первая из них вдохновлена человеческим мозгом. Создаваемые в рамках нейроморфной инженерии микросхемы должны имитировать нейронные сети в мозгу человека.
В перспективе такие решения должны стать инструментами эффективных и, самое главное, быстро адаптируемых к внешним изменениям вычислений. Главное отличие нейроморфных чипов от традиционных — архитектура. Она организована по аналогии с человеческим мозгом, где один нейрон передает сигнал сразу группе своих «собратьев».
Таким образом чип выполняет вычисления не последовательно, а параллельно, как биологический мозг обрабатывает сразу и звуковые, и обонятельные, и зрительные сигналы. Это открывает двери для создания универсальных нейронных сетей, способных работать, например, с генерацией как текста, так и изображений.
Более того, нейроморфные чипы ориентированы на события, то есть срабатывают только тогда, когда это необходимо. Отсюда значительная экономия энергии.
Но при всей скорости вычислений для таких чипов существенной проблемой становится постепенное затухание сигнала. Американские специалисты нашли решение этой задачи там же, где и идею нейроморфных вычислений, — в человеческом теле. А именно в аксонах. Это длинные электрические кабели, которые передают сигнал от нервных окончаний к мозгу. Их ключевая особенность — усиление сигнала по всей своей длине.
Эксперты постарались повторить эту «фишку» аксонов с помощью оксида лантана кобальта (LaCoO3), сопротивление которого нелинейно изменяется в зависимости от температуры. При правильном наборе условий LaCoO3 может показать отрицательное сопротивление, то есть усилить сигнал.
Ученые продемонстрировали это на устройстве, состоящем из слоя LaCoO3 под миллиметровой металлической пластиной. На металл подавали переменный ток, на LaCoO3 — постоянный. В результате выходной сигнал оказался сильнее на 70%.
Будущее с широким распространением нейроморфных чипов представляется таким: наши устройства смогут учиться самостоятельно. Они будут реагировать на мимолетные изменения в вводных данных и, по сути, научатся предугадывать желания пользователей.
Очень маленькая тема
Но самой захватывающей и при этом почему-то далеко не самой популярной остается тема квантовых вычислений. В отличие от классических компьютеров, которые используют только два значения «1» и «0», квантовые могут оперировать суперпозицией, когда кубит — составная часть вычислений — может одновременно значить и «1», и «0». Например, два кубита могут вместе представлять четыре состояния: 00, 01, 10 и 11.
Это позволяет существенно увеличить мощность вычислений. Фактически квантовый компьютер видит не ряд возможностей одну за другой, а сразу все возможности и выбирает правильный ответ.
Например, квантовый чип Willow от Google решил за пять минут задачу, на которую суперкомпьютеру потребовалось бы 10 септиллионов лет.
Благодаря квантовой запутанности — связь между кубитами, при которой изменение состояния одного из кубитов мгновенно приводит к изменению состояния другого на любом расстоянии, — квантовые компьютеры очень точные.
Существенный минус таких компьютеров заключается в хрупкости кубитов. Кроме того, они подвержены воздействию внешних помех и шумов, а работать в большинстве своем могут только при экстремально низких температурах. Но и эти проблемы активно решаются научным сообществом.
Например, чип от Microsoft Majorana 1. Это первый в мире квантовый чип с архитектурой топологического ядра. В его основе лежит топопроводник — новый материал, который позволяет наблюдать и управлять майорановскими частицами, или фермионами Майораны.
Такие фермионы являются своими собственными античастицами. Но самое интересное, что их не существует в природе. Создать фермионы Майораны можно с помощью магнитных полей и сверхпроводников. При этом полученные частицы надежно защищают квантовую информацию от случайных помех и позволяют точно измерить ее с помощью микроволн. Подход к измерению, который разработала Microsoft, настолько точен, что позволяет обнаружить разницу между одним миллиардом и одним миллиардом одним электроном в сверхпроводящем проводе.
Использование майорановских частиц позволяет создавать более стабильные и масштабируемые кубиты. Однако для этого требуется принципиально новый топопроводник на основе алюминия и арсенида индия — материала, который в настоящее время используется в таких устройствах, как инфракрасные датчики, и обладает особыми свойствами. Полупроводник сочетается со сверхпроводимостью благодаря экстремально низким температурам, образуя гибрид. Microsoft буквально создавала его атом за атомом.
Затем были созданы нанопровода в форме буквы Н, соединяющие четыре управляемых майорановских кубита. Каждая такая Н образует один кубит и может быть соединена с подобными наноструктурами в виде множества плиток. Такая архитектура позволяет разместить в чипе Majorana 1 миллион кубитов. При этом сам чип легко помещается на человеческой ладони.
Почему именно миллион кубитов? По мнению экспертов, это порог, преодоление которого позволит создать реальные квантовые компьютеры для решения сложнейших современных задач. Например, создания самовосстанавливающихся материалов для строительства, производства или здравоохранения.
Все компьютеры в мире, работающие вместе, не смогут сделать то, что сможет квантовый компьютер с миллионом кубитов.
Первое в мире топологическое ядро Majorana 1 надежно и устойчиво к ошибкам на аппаратном уровне, что делает его очень стабильным. Оно также отличается принципиально новым подходом к управлению кубитами. Речь идет о цифровом управлении, которое можно включать и выключать с помощью импульсов напряжения. Это позволяет не настраивать каждый кубит отдельно, значительно упрощает процесс квантовых вычислений и снижает физические требования к созданию масштабируемых квантовых компьютеров.
Проблема температуры решается, например, за счет применения в квантовом компьютере фотоники. Так, в Китае создали чип, использующий один фотон для факторизации простых чисел. Фотоны могут поддерживать стабильные квантовые состояния при комнатной температуре, что позволяет существенно снизить затраты энергии.
Новое устройство также может кодировать информацию в 32 временных интервалах или измерениях внутри волнового пакета одного многомерного фотона.
Будущее из песчинок
В этой статье автор постарался обратить внимание читателей только на самые масштабные, по его личному мнению, тенденции развития микроэлектроники. Сложно перечислить все удивительные разработки и идеи, живущие в этой отрасли. А мы ведь даже серьезно не коснулись памяти, проводников и полупроводников и многого-многого другого.
Человечество в своем стремлении к быстрому и эффективному обмену информацией на самых разных уровнях создает неожиданные сочетания материалов, фантастические архитектуры и процессы. И все это — ради маленького «квадратика», не просто умещающегося, но теряющегося на просторах человеческой ладони. «Квадратика», который, судя по всему, в большой степени определит наше с вами будущее.
