Приближается микропроцессорная революция

Ученые из Калифорнийского университета в Беркли нашли способ уменьшить минимальное напряжение, необходимое для хранения заряда в конденсаторе. Это достижение может существенно снизить энергопотребление и тепловыделение современной электроники.

Чем большее быстродействие у современного компьютера, тем сильнее он нагревается. В настоящее время технология подошла к «потолку» возможностей процессоров, когда необходимы слишком мощные и сложные системы охлаждения. А все дело в том, что напряжение для питания транзисторов современных микросхем остается на уровне 1 вольт в течение приблизительно 10 лет. Это связано с физическими принципами работы транзистора, и рост производительности процессоров шел по пути наращивания количества транзисторов и их миниатюризации.

Сегодня процессор может содержать миллиарды транзисторов, однако уменьшение размера не привело к пропорциональному сокращению общей потребляемой мощности, необходимой для работы компьютерного чипа. При комнатной температуре требуется не менее 60 милливольт для того, чтобы ток проходил сквозь транзистор, а так как разница напряжения между включением и выключением должна быть значительной, требуется не менее 1 вольта для его работы. Из-за этого с 2005 года частота процессоров не сильно выросла, а эффективно рассеивать тепло процессоров и уменьшать их размер становится все труднее.

Экспериментальное устройство, сделанное из сегнетоэлектрических материалов. Эта конфигурация может усиливать заряд в слое титаната стронция при неизменном напряжении

Ключом к электронике нового поколения должен стать более энергоэффективный транзистор, и американские ученые, похоже, придумали, как это сделать. Решение заключается в добавление в конструкцию современных транзисторов сегнетоэлектриков (ферроэлектриков), которые потенциально могут генерировать больший заряд при меньшем напряжении. Сегнетоэлектрики обладают уникальным свойством: могут содержать положительные и отрицательные электрические заряды, даже без приложения электрического напряжения. Более того, электрическая поляризация в сегнетоэлектриках может быть изменена с помощью внешнего электрического поля.

Инженеры Калифорнийского университета продемонстрировали конденсатор из сегнетоэлектрика в паре с диэлектриком, который способен усиливать накопленный заряд. Это явление, называемое отрицательной емкостью, может помочь преодолеть существующую проблему энергоэффективности транзисторов и создать маломощные транзисторы без ущерба для производительности и быстродействия.

В своем прототипе электронного устройства нового типа исследователи применили пары сегнетоэлектрических материалов: цирконата-титаната свинца с диэлектриком из титаната стронция. Они подали на эту структуру напряжение, а также – только на титанат стронция. После этого ученые сравнили количество заряда, хранящееся в обоих устройствах. Сегнетоэлектрическая структура продемонстрировала двукратное повышение заряда при сохранении напряжения на низком уровне. Другими словами, сегнетоэлектрическое устройство демонстрирует ту же мощность, но при меньшем напряжении, чем традиционные электронные устройства. При этом эффект наблюдается даже при температуре в 200 градусов Цельсия, в то время как для современных процессоров предельная рабочая температура равна 85 градусам.

В настоящее время ученые заняты подготовкой к эксперименту по созданию сегнетоэлектрического транзистора, способного включаться и выключаться, генерируя нули и единицы двоичного кода компьютера. Если удастся этого достичь, индустрию вычислительной техники ждет настоящая революция, связанная с появлением мощных микропроцессоров с низким энергопотреблением.