Ученые создают новые микрочипы, которые могут работать лучше и потреблять меньше энергии

Ученые создают новые микрочипы, которые могут работать лучше и потреблять меньше энергии

Наши ноутбуки и смартфоны компактны, но мощны благодаря кремниевой микроэлектронике, также известной как микрочипы или чипы, крошечным мозгам цифровых мускулов почти каждого современного устройства.

Но за такое современное удобство приходится платить. К 2030 году около 25% мировой энергии, большая часть которой производится за счет сжигания богатого углеродом ископаемого топлива, может потребляться электронными устройствами, если ничего не будет сделано для повышения их энергоэффективности.

Кремниевые чипы происходят от конструкции, известной как CMOS, сокращение от комплементарного металл-оксид-полупроводник. Согласно закону Мура, впервые предсказанному в 1975 году, кремниевые КМОП-чипы приближаются к пределам миниатюризации и производительности. На протяжении десятилетий ученые искали новые электронные материалы, выходящие за рамки закона Мура, а также ограничения кремниевых КМОП-чипов.

Теперь ученые Морис Гарсия-Скиверес и Рамамурти Рамеш из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики США разрабатывают новые микрочипы, которые могли бы работать лучше – и потреблять меньше энергии – чем кремний. В течение следующих трех лет они возглавят два из 10 проектов, недавно выделенных Министерством энергетики на сумму около 54 миллионов долларов для повышения энергоэффективности при проектировании и производстве микроэлектроники

В этих вопросах и ответах они обсуждают свои проекты.

Q: Чего вы надеетесь достичь в следующие 3 года? Каково значение вашей работы?

Гарсия-Сциверес: Наш проект – «Совместное проектирование и интеграция нанодатчиков на КМОП» – направлен на повышение производительности за счет интеграции крошечных световых сенсоров, изготовленных из наноматериалов, в обычные КМОП (дополнительные металлические детали). -оксид-полупроводник) интегральная схема. (Наноматериал – это материя сверхмалого размера, составляющая миллиардную долю метра.)

КМОП-микросхемы сделаны из кремния, но если вы посмотрите, сколько энергии потребляет кремний, она начинает иметь большое значение – и через десятилетие кремниевые микросхемы будут потреблять значительную часть нашей энергии. Например, вычисления, необходимые для управления беспилотным автомобилем, потребляют значительно больше энергии по сравнению с энергией, необходимой для управления автомобилем. Нам нужно производить вычисления с меньшим энергопотреблением или повышать производительность без увеличения мощности, но вы не можете сделать это с кремниевыми микросхемами, потому что кремний должен работать при определенном напряжении – и эти физические ограничения дорого обходятся нам.

В нашем проекте наноматериалы, такие как углеродные нанотрубки – устройства настолько малы, что они невидимы невооруженным глазом – будут служить датчиками света. Нанодатчики добавляют новые функциональные возможности КМОП-чипу, повышая производительность.

Зондирование – хорошее начальное приложение, но при интеграции в чип углеродные нанотрубки также могут служить транзисторами или переключателями, обрабатывающими данные. Интеграция множества углеродных нанотрубок в кремниевый чип может привести к появлению новых видов электронных устройств, которые будут меньше и быстрее, а также более энергоэффективны, чем существующие технологии.

Рамеш: В нашем проекте «Совместное проектирование сверхнизкого напряжения помимо КМОП-микроэлектроники» мы планируем исследовать новые физические явления, которые приведут к значительному повышению энергоэффективности вычислений. Это важно, потому что мы считаем, что следующий закон Мура, вероятно, будет сосредоточен на шкале энергии, а не на масштабе длины, поскольку мы уже находимся в пределах масштабирования длины.

Примерно в 2015 году потребление энергии микроэлектроникой составляло лишь около 4-5% от общей первичной энергии в мире. Первичная энергия обычно означает химическую энергию, вырабатываемую электростанцией, работающей на угле или природном газе. Как правило, он имеет КПД преобразования в электричество 35-40%.

Наша растущая зависимость от искусственного интеллекта, машинного обучения и IoT – или Интернета вещей, где все связано с помощью электроники, например, наши транспортные системы, системы реагирования на чрезвычайные ситуации, возобновляемые источники энергии и электрические сети, – приведет к экспоненциальному росту рост электроники с точки зрения систем.

Это означает, что к 2030 году потребление энергии микроэлектроникой, по прогнозам, составит не менее 25% от первичной энергии. Следовательно, сделать электронику более энергоэффективной – это большое дело.

Для нашего проекта мы спрашиваем: «Какие фундаментальные инновации в материалах могут значительно снизить энергопотребление микроэлектроники?» Мы смотрим на совершенно другую структуру, которая исследует новую физику с использованием подхода совместного проектирования, в котором мир Ведущие специалисты в области физики материалов, проектирования устройств и схем, изготовления и тестирования, а также архитектуры на уровне микросхем работают вместе, чтобы провести целостное исследование путей к вычислениям следующего поколения.

Q: Какие новые приложения будут доступны в вашей работе и как вы продемонстрируете эти новые возможности –

Гарсия-Скиверес: Наша работа продемонстрирует однофотонный формирователь изображения, который может измерять спектр – длину волны или энергию – каждого отдельного фотона или световой частицы, который он обнаруживает. Это позволяет получать гиперспектральные изображения, то есть изображения, в которых каждый пиксель может быть разложен на множество цветов, что дает гораздо больше информации. Гиперспектральная визуализация приносит пользу широкому кругу наук, от космологии до получения биологических изображений.

Спектроскопический эксперимент темной энергии (DESI), международное научное сотрудничество, управляемое лабораторией Беркли, захватывает спектры далеких галактик, начиная с изображений галактик, которые были ранее получены с помощью других инструментов. Эта дополнительная спектральная информация помогает космологам понять, как темная энергия повлияла на расширение нашей Вселенной. Если бы первоначальные наблюдения галактик проводились с помощью гиперспектрального формирователя изображений, спектральная информация была бы доступна с самого начала. Еще одно растущее применение гиперспектральной визуализации – изучение экзопланет. (Планеты в нашей солнечной системе вращаются вокруг Солнца. Планеты, вращающиеся вокруг других звезд, называются экзопланетами.) Но датчики, используемые для этих типов спектральных наблюдений, работают при температурах ниже 1 градуса выше абсолютного нуля. Наше устройство будет работать при более практичных температурах, возможно, даже до комнатной. Гиперспектральная визуализация имеет множество применений в медицине и биологических науках, и доступно множество коммерческих инструментов. Однако эти инструменты, которые намного сложнее и дороже, чем обычная камера, либо сканируют объект пиксель за пикселем, либо имеют сложную структуру роботизированных волокон или фильтров. Более того, эти инструменты не обладают однофотонной чувствительностью. Наше устройство позволило бы создать простую камеру, обеспечивающую гиперспектральные изображения с однофотонной чувствительностью.

Рамеш: Наша команда призвана продемонстрировать жизнеспособность и мощь нашей совместной разработки платформы «Атомы в архитектуру», которая основана на двух фундаментальных физических явлениях:

Первый – это новое поведение в архитектуре транзисторов на основе сегнетоэлектриков, которое обеспечивает путь для снижения общего количества энергии, потребляемой в устройстве на основе кремния микроэлектроники. (Сегнетоэлектрик – это материал с электрическим диполем или парой положительных и отрицательных электрических зарядов, который может переключаться с помощью электрического поля.) Второй – это низковольтное электрическое поле, управляющее электронным спином с использованием нового класса материалов, называемых мультиферроики.

В 2014 году мы продемонстрировали магнитоэлектрический материал, который может преобразовывать заряд в магнитное вращение при 5 вольт приложенного напряжения. Последующая совместная работа с исследователями Intel показала, как это можно использовать для создания нового класса устройств логики в памяти, названного устройством MESO, которое использует спины для выполнения логических операций.

В одном из наших проектов в рамках нашей программы мы будем использовать наш магнитоэлектрический материал для исследования мультиферроидных элементов, которые будут работать при 100 милливольтах, что приведет к значительному снижению энергопотребления. (Милливольт – одна тысячная вольта.) Наш второй проект исследует фундаментальную физику конденсаторного устройства, в котором сегнетоэлектрический слой накладывается на обычный кремниевый транзистор для повышения его энергоэффективности за счет так называемого эффекта отрицательной емкости. Наша конструкция позволила бы создать устройство микроэлектроники, которое выполняет как функции памяти, так и логические функции – этот подход радикально отличается от микросхем в наших современных компьютерах, где один вид микросхемы выполняет логику или обработку данных, а другой микросхема хранит данные.

Проект « Совместное проектирование и интеграция нанодатчиков на КМОП» является результатом сотрудничества исследователей из лаборатории Беркли, Национальной лаборатории Сандиа и Калифорнийского университета в Беркли. Среди главных исследователей – Вейлун Чао, Стив Холланд, Ми-Янг Им, Тевье Куйкендалл, Франсуа Леонард, Юан Мей, Эндрю Нонака, Катерина Пападопулу, Грег Тихомоиров, Арчана Раджа, Рикардо Руис и Джеки Яо.

«Совместная разработка сверхнизкого напряжения помимо КМОП-микроэлектроники» – результат сотрудничества исследователей из лаборатории Беркли и Калифорнийского университета в Беркли. Среди главных исследователей – Шинеад Гриффин, Лейн Мартин, Лаванья Рамакришнан, Сайиф Салухуддин, Падраик Шафер, Джон Шалф, Дилип Васудеван и Джеки Яо.

Национальная лаборатория Лоуренса Беркли и ее ученые, основанная в 1931 году с убеждением в том, что самые большие научные проблемы решаются с помощью команд, были удостоены 14 Нобелевских премий. Сегодня исследователи из лаборатории Беркли разрабатывают решения в области устойчивой энергетики и защиты окружающей среды, создают новые полезные материалы, расширяют границы компьютерных технологий и исследуют тайны жизни, материи и Вселенной. Ученые со всего мира полагаются на возможности лаборатории в своих научных открытиях. Лаборатория Беркли – это многопрограммная национальная лаборатория, управляемая Калифорнийским университетом при Управлении науки Министерства энергетики США.

Управление науки Министерства энергетики США является крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из наиболее актуальных проблем нашего времени.

Источник: https://www.lbl.gov/[19459007visible

Source link