Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2013
Richard F. Zarr, Texas Instruments
Electronic Design
Теория квантовых клеточных автоматов (ККА) имеет большие перспективы в соперничестве с технологией КМОП в области создания логических элементов, используемых для выпуска цифровых интегральных схем. К 2025 году она, возможно, станет основным средством производства компонентов для наших электронных устройств.
Что было бы, если логическое состояние определялось не потоком электронов, а положением каждого из них? Это не научная фантастика. Это целая область исследований, получившая название «Теория квантовых клеточных автоматов» (ККА), которая является частью процесса поиска преемника для стареющего полевого транзистора (ПТ), а также решением проблемы соотношения плотности и рассеиваемой мощности, наблюдаемой на молекулярном уровне. По сути, эта технология может стать следующим революционным изменением в полупроводниковой промышленности.
Предпосылки
Скромный ПТ является рабочей лошадкой современной полупроводниковой промышленности, изготавливающей вычислительные устройства, а также высокопроизводительные приборы обработки аналоговых и смешанных сигналов. Закон Мура говорит о том, что число транзисторов, интегрированных в одном устройстве, должно удваиваться примерно каждые два года. Intel и другие производители полупроводниковых компонентов разработали КМОП процессы, которые продолжают соответствовать положениям закона Мура или опережают их. Однако, создание меньшего по размерам транзистора – это только часть проблемы. Отношение плотность/мощность в конечном итоге остановит процесс уменьшения размеров ПТ, связанный с возможностью их изготовления.
В таких разработках, как FinFET, применяемой сейчас в семействе процессоров Ivy Bridge компании Intel, продолжается повышение плотности транзисторов. Однако на рассеиваемую каждым транзистором мощность влияет несколько факторов. В основном, комплементарные транзисторы рассеивают мощность при переключении состояния, но и в статическом состоянии присутствуют токи утечки, обусловленные эффектами короткого канала и туннелирования электронов.
В недалеком прошлом, эта утечка была минимальной. Но при сокращении размеров менее 45 нм, когда плотность транзисторов значительно возрастает, порядки величин тока утечки и динамической мощности начинают сближаться. Дальнейшее уменьшение размеров позволяет уместить больше транзисторов на той же самой физической площади, при этом увеличивается плотность как динамической, так и статической рассеиваемой мощности. Считается, что соотношение рассеиваемой мощности и плотности остановит дальнейшую миниатюризацию раньше, чем будет достигнут предел технологических возможностей производства.
Альтернативные структуры
Надвигающийся технологический предел сделал поиски замены логики на ПТ Священным Граалем полупроводниковой промышленности. Несколько одноэлектронных кандидатов, вроде резонансных туннельных диодов (RTD) и туннельно-фазовой логики (TPL), имеют преимущества по сравнению с традиционными структурами на базе ПТ. Одно из направлений исследований в области одноэлектронных структур, основанное на старой концепции первой половины 20 века и названной теорией клеточных автоматов (КА), имеет большие перспективы в мире вычислительных устройств.
КА представляет собой конечный автомат, состоящий из решетки ячеек, каждая из которых может принимать конечное число состояний. Ячейки влияют друг на друга либо в соответствии с физическими законами, либо по программным правилами, которые неизменны во времени. Другими словами, правила не меняются. Изменение состояния входной клетки влияет на состояние соседних, и это влияние распространяется на всю систему. С основами теории клеточных автоматов многие из нас могли познакомиться на таком примере, как написанная в 1970 году Днжоном Хортоном Конвейем (John Horton Conway) компьютерная игра «Game of Life».
Концепцию КА разработал в 1940 году Станислав Улам (Stanislaw Ulam), работая в Лос-Аламосской национальной лаборатории. Дальнейшие исследования продолжались на протяжении 1950-х и 1960-х годов, но до изобретения игры Конвейем эта теория не была востребована за пределами государственных институтов и университетов. Клеточный автомат может иметь любую размерность, хотя два измерения (плоскость), как в игре Конвея, наиболее подходят для логики. Двумерный клеточный автомат представляет собой регулярную решетку ячеек (клеток). Эта решетка обычно имеет структуру квадрата, но может иметь и гексагональную форму, подобную пчелиным сотам.
Клеточные автоматы на квантовых точках
Одной из перспективных областей применения клеточных автоматов являются клеточные автоматы на квантовых точках или просто квантовые клеточные автоматы (ККА). Идея ККА не нова. Она зародилась примерно в начале 1990-х, когда группа исследователей предложила использовать квантовые точки для формирования клеток. Квантовая точка может содержать в себе один электрон. Ячейка, состоящая из четырех квантовых точек, образует квадрат. После заряда такой ячейки двумя электронами, она перейдет в одно из двух состояний (Рисунок 1). Формируя из этих ячеек структуры, можно создавать логические вентили.
 |
|
| Рисунок 1. | Ячейка ККА включает в себя четыре квантовые точки. Квантовые точки не масштабируются с ячейкой. |
Прототипы твердотельных квантовых клеточных автоматов были созданы с использованием электронно-лучевой литографии и имели размеры порядка 20 нм, что близко к длине затвора стандартных ПТ в КМОП структурах. Однако для работы им не нужно иметь сток или исток. Чтобы сформировать логические элементы, они просто должны быть расположены правильным образом.
Для создания логических вентилей ККА могут быть упорядочены путем размещения друг рядом с другом в определенной последовательности. В ККА имеются две фундаментальные вентильные структуры. Одна представляет собой инвертор, а другая называется «мажоритарный вентиль» (Рисунок 2). Мажоритарный вентиль является логическим элементом с тремя входами и одним выходом. В такой конфигурации воздействия электрического поля на входах носят аддитивный характер, а состояние выхода зависит от преобладания единиц или нулей на входах. Подобную структуру также можно рассматривать как программируемый блок, где один вход выбирает функцию двух других входов: либо «И», либо «ИЛИ». Все остальные логические функции являются производными от этих двух структур.
 |
|
| Рисунок 2. | Существуют два основных логических элемента: инвертор, или вентиль «НЕ» (вверху), и мажоритарный вентиль (внизу). Такая структура реализует оба вентиля на основе таблицы истинности мажоритарного элемента. |
Путем простого построения ячеек в линию могут быть созданы проводники. Также существуют структуры, преобразующие уровни напряжения обычных входов в состояния ККА, и выходы, которые преобразуют состояния ячеек ККА в напряжение для интеграции с существующими цифровыми схемами.
Направленность и синхронизация
Интересным архитектурным феноменом ККА является обратимость направления потока данных. То есть, в отличие от обычной КМОП-логики, где отчетливо разграничиваются входная и выходная стороны, ККА может работать симметрично. Это полезно в таких приложениях, как сериализация и десериализация (SERDES), где функция является полностью обратимой. Однако данные по такому логическому конвейеру должны течь в определенном направлении, иначе наступит хаос. Другой проблемой является потеря энергии во время переходов между состояниями, поэтому в системе должны быть элементы усиления.
Обе проблемы можно решить с помощью слоя синхронизации, проложенного ниже квантовых ячеек. Этот проводящий материал находится ниже всех ячеек в пределах определенного синхронизирующего «домена» и управляет переходом вентилей из одного состояния в другое путем увеличения и уменьшения туннельного барьера между точками. Располагая соседние домены синхронизации в квадратуре (например, сдвигая по фазе на 90°), можно управлять направлением движения логического потока.
Изготовление логических элементов ККА
Первоначально логика на основе ККА будет создаваться с использованием традиционных методов изготовления кремниевых пластин. Сегодня структуры ККА изготавливаются с помощью электронно-лучевой литографии, но она медленна и непрактична для массового производства. Однако фотолитография в дальней области ультрафиолетового спектра и другие нанолитографические методы считаются очень перспективными для крупносерийного изготовления структур с размерами менее 10 нм.
Один из методов, называемый плиточным структурированием ДНК, использует нити ДНК для самосборки участков, содержащих плитки ячеек ККА. Можно формировать разнообразные последовательности, применяя различные конфигурации плиток, содержащих ячейки ККА в фиксированных позициях. Для формирования цепей эти участки могут быть направлены в канавки, вытравленные с помощью стандартных методов.
Заключение
КМОП технология еще будет востребована какое-то время, и в ближайшем будущем останется основой производства высокопроизводительных логических устройств. Но из-за проблем, связанных с плотностью мощности и ее рассеянием, масштабирование, в конечном счете, прекратится, что заставит отрасль перейти на альтернативные технологии. В области создания логических элементов для цифровых интегральных схем ККА имеют огромные перспективы и шансы вытеснить технологию КМОП. К 2025 году ККА, возможно, станут основным средством производства компонентов для наших электронных устройств.
