Считать с мысли: в России создают микроэлектронику на новых принципах
Ученые Курчатовского института ведут исследования по самым актуальным направлениям развития современной микроэлектроники. Они создают вычислительные машины, имитирующие устройство мозга, которые обладают высокой мощностью и при этом низким энергопотреблением. Развивают СВЧ-технологии, имеющие первостепенное значение для нужд военных и гражданских систем связи. Проектируют криокомпьютеры на основе сверхпроводящих материалов, которые будут работать при температуре ниже –263 ºС и при этом обладать небывалыми вычислительными возможностями.
Меньше и лучше
Исследователи Курчатовского института развивают самые востребованные технологии в сфере микроэлектроники. В их числе методы, позволяющие увеличить вычислительную мощность электронных устройств и в то же время снизить их энергопотребление.
— Сегодня микроэлектроника развивается в сторону низкого энергопотребления и увеличения мощности. Всем хочется, чтобы ваше устройство работало быстро и было компактным, чтобы умещаться в кармане. Происходящая сейчас цифровизация жизни требует огромного количества энергии. Если раньше в нашей сфере непрерывно шло уменьшение размеров элементов и увеличение их плотности на микросхеме, что увеличивало быстродействие, то теперь на первый план вышел вопрос энергопотребления, — рассказывает Максим Занавескин, начальник отдела прикладных нанотехнологий Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий.
Решением могут стать процессоры, которые по своей архитектуре сильно отличаются от классических. В привычном чипе есть отдельный блок вычислений и блок памяти. Однако современные технологии пытаются копировать устройство мозга, где каждый нейрон одновременно и производит обработку сигнала, и выступает элементом памяти, и в то же время отвечает за обмен информацией с другими нейронами. Применение такого подхода снижает энергопотребление процессора минимум на три порядка.
Вырастить 5G
Важное направление деятельности Курчатовского института — СВЧ-электроника. Это все устройства, которые используют в своей работе электромагнитное излучение сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона. К этой категории принадлежат системы связи и радиолокации, радиоэлектронной борьбы, навигации, а также множество других технологий. Оборудование для такой техники уже давно научились делать в наномасштабах. Сейчас специалисты института готовятся к запуску мелкосерийного производства СВЧ-кристаллов, которые используют в перечисленных выше типах устройств.
— Функциональные слои в многослойных структурах для СВЧ-систем измеряются в нанометрах. У нас есть технологическая установка, которая позволяет выращивать такие структуры для СВЧ-электроники. Разработка технологии полного цикла производства СВЧ-транзисторов и источников СВЧ-излучения на их основе — одна из тематик, которую мы развиваем в институте, — сказал Максим Занавескин.
Самое актуальное применение СВЧ-технологий — новые решения для систем разрабатываемого поколения мобильной связи 5G.
Вместе с уменьшением длин волн (то есть увеличением частот), применяемых в радиотехнике и мобильной связи, радиус действия базовых станций непрерывно сокращается. Поэтому, скорее всего, их эволюция будет связана с использованием не излучающих равномерно во всех направлениях станций, а активных фазированных решеток на базе СВЧ-элементов. Такие устройства способны не просто покрывать какую-то площадь вокруг себя, а целенаправленно связываться с каждым конкретным пользователем напрямую. В будущем это обеспечит гораздо более быструю передачу данных.
— Человечество достигло просто фантастических результатов в уменьшении размеров микроэлектроники. Здесь мы близки к пределу, поэтому дальнейшее развитие будет связано с изменением архитектуры или переходом на принципиально новые материалы,— комментирует Максим Занавескин.
Однако сегодня применение новых материалов стало больше вопросом производственных технологий, чем научной проблемой. По мнению ученых, преимущественное использование кремния будет продолжаться еще долго, так как в эту область были сделаны очень большие инвестиции. Новые материалы будут чаще находить применение в специализированных нишах. Например, в области СВЧ-устройств сейчас происходит переход на нитрид — соединения азота с металлами и другими элементами, который позволяет получить более высокую удельную мощность, чем кремний.
Расширение со знанием
Специалисты Курчатовского института также работают над созданием компьютеров, которые вместо привычных в индустрии полупроводников используют сверхпроводящие материалы. За счет них можно избавиться от множества ограничений, которые заложены в классических вычислительных машинах.
Например, используемые сверхпроводящие металлы не столь критичны, как кремний, к качеству и кристалличности подложки, на которой создаются вычислительные элементы — транзисторы. Соответственно, на базе сверхпроводников можно создавать истинно многослойные интегральные схемы, собирая из них компактные суперкомпьютеры. При этом использование сверхпроводящих материалов позволяет снизить энергопотребление на три–четыре порядка.
Однако со сверхпроводниками нужно работать при очень низких температурах порядка 10 Кельвинов (–263ºС). Но современные суперкомпьютеры выделяют такое огромное количество тепла, что для их работы требуется специальное оборудование для водяного и газового охлаждения вычислительных систем очень больших размеров. Поэтому более компактный криокомпьютер, работающий при сверхнизкой температуре за счет использования относительно небольшого криогенного блока охлаждения, может оказаться удобнее.
Создание такой установки позволит производить сложнейшие расчеты в области генетики и биологии, анализировать взаимосвязи в сложных живых системах, больших данных, причем делать эти вычисления непосредственно в месте их востребованности, включая мобильные объекты, транспорт или удаленные научные станции.
В феврале этого года правительство РФ приняло решение о расширении состава НИЦ «Курчатовский институт». К центру присоединятся семь институтов:
— Институт высокомолекулярных соединений;
— Институт проблем проектирования в микроэлектронике;
— Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники им. В.Г. Мокерова;
— Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова;
— Научно-исследовательский институт системных исследований;
— Федеральный научно-исследовательский центр «Кристаллография и фотоника»;
— Физико-технологический институт им. К.А. Валиева.
Цель — объединение усилий научных коллективов в создании и внедрении передовых отечественных технологий в области микроэлектроники и новых материалов.Основной исследовательской площадкой для ученых станет синхротронный рентгеновский источник ТНК «Зеленоград», который входит в состав Курчатовского института.
