Современные компьютерные чипы генерируют много тепла и в результате потребляют большое количество энергии. Многообещающий подход к снижению этого спроса на энергию может заключаться в холоде, как подчеркивается в новой статье Perspective международной исследовательской группы под руководством Цин-Тай Чжао из исследовательского центра Jülich.
По словам исследователей, экономия может достигать 80%. Работа проводилась в сотрудничестве с профессором Йоахимом Кнохом из Рейнско-Вестфальского технического университета Ахена и исследователями из EPFL в Швейцарии, TSMC и Национального университета Ян Мин Цзяотун (NYCU) в Тайване, а также Токийского университета.
В статье, опубликованной в Nature Reviews Electrical Engineering , авторы описывают, как традиционная технология КМОП может быть адаптирована для криогенной эксплуатации с использованием новых материалов и стратегий интеллектуального проектирования.
Центры обработки данных уже потребляют огромное количество электроэнергии, и ожидается, что их потребности в электроэнергии удвоятся к 2030 году из-за растущих энергетических потребностей искусственного интеллекта, согласно данным Международного энергетического агентства (МЭА).
Компьютерные чипы, которые круглосуточно обрабатывают данные , вырабатывают большое количество тепла и требуют значительной энергии для охлаждения.
Но что, если мы перевернем сценарий? Что, если ключ к энергоэффективности лежит не в управлении теплом, а в принятии холода? Это идея, лежащая в основе концепции криогенных вычислений, т.
е. вычислений при очень низких температурах.
В будущем компьютерные чипы смогут работать не только быстрее, но и эффективнее при таких температурах — по крайней мере, если их соответствующим образом адаптировать.
Этот подход также интересен для многочисленных приложений, таких как квантовые компьютеры, космические зонды и медицинская визуализация, которые часто требуют очень низких температур, близких к абсолютному нулю.
Обычные чипы также могут выиграть от мощного охлаждения. Однако они подходят для действительно криогенной работы только в ограниченной степени.
Транзисторы вообще-то любят холод «Транзисторы составляют большую часть потребляемой мощности в компьютерах», — говорит Чжао. Эти крошечные переключатели — современные чипы часто содержат несколько миллиардов на квадратный миллиметр — требуют определенного напряжения для переключения между включенным и выключенным состояниями.
При комнатной температуре требуется около 60 милливольт, чтобы изменить ток в 10 раз.
Это значение, известное как «подпороговый размах», является мерой эффективности переключения транзистора и сильно зависит от температуры. «Традиционно это напряжение переключения уменьшается по мере снижения температуры.
Это происходит потому, что у электронов меньше тепловой энергии. Они не так легко «перепрыгивают» через барьеры и ведут себя в целом более предсказуемо. Вблизи абсолютного нуля теоретически потребуется всего 1 милливольт», — объясняет Чжао.
Меньшее напряжение означает меньше энергии, меньше тепла и большую эффективность. Фактически, исследования показывают, что при 77 Кельвинах (-196,15°C) — температуре, которую все еще можно достичь с помощью охлаждения жидким азотом — возможна экономия энергии до 70%.
Это остается верным даже с учетом энергии, необходимой для охлаждения. По словам исследователей, при охлаждении на основе гелия при 4 Кельвинах экономия может достигать 80%.
Теория против практики Однако реальность несколько иная. При очень низких температурах становятся очевидными физические явления, которые при более высоких температурах маскируются «тепловым шумом».
Наиболее заметными из них являются так называемые эффекты хвоста полосы: энергетические возмущения, вызванные небольшими нарушениями или дефектами материала, поскольку ни один полупроводник не идеален.
«Они мешают транзисторам правильно выключаться», — говорит Чжао. Ток продолжает «утекать», даже если компонент на самом деле должен быть заблокирован.
Кроме того, есть туннелирование источник-сток, квантовое явление, при котором электроны проходят напрямую через область барьера. Вместе эти эффекты не позволяют подпороговому размаху уменьшаться так сильно, как ожидалось.
Вместо того, чтобы достигать значений ниже 1 милливольта за декаду, подпороговый размах обычно устанавливается между 5 и 10 милливольтами за декаду при температурах ниже 20 Кельвинов — слишком высоко для достижения теоретически возможной энергоэффективности.
Новые материалы, новые перспективы Хорошей новостью является то, что существуют решения. Например, использование материалов, которые нельзя использовать при комнатной температуре , имеет большие преимущества при очень низких температурах.
Причиной этого является ограниченный диапазон энергии из-за очень низких температур, что необходимо для поведения переключения.
В конечном счете, реализация криогенных вычислений требует «замены материалов, устоявшихся в коммерческой технологии КМОП, новыми материалами или интеграции переоцененных известных материалов», как объясняет Кнох.
В своем исследовании ученые предлагают целый ряд технологий, которые в сочетании друг с другом могли бы создать своего рода «супертранзистор для холода».
К ним относятся: Нанопровода вокруг затвора и полностью обедненный кремний на изоляторе (SOI), которые обеспечивают особенно точное управление Диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью в сочетании с тонкими субнанометровыми прослойками, которые уменьшают энергетический беспорядок и эффективно связывают электрическое поле Проектирование источника/стока, которое позволяет формировать крутые переходы и вносит меньше дефектов использование новых материалов, таких как полупроводники с малой запрещенной зоной, которые позволяют осуществлять переключение при более низких напряжениях так называемое обратное стробирование, при котором пороговое напряжение можно динамически регулировать.
От лаборатории к применению «Холодно оптимизированные чипы могут значительно снизить потребление энергии для вычислений, особенно в высокопроизводительных центрах обработки данных , где развернуты тысячи или даже сотни тысяч чипов», — говорит Хунг-Ли Чианг, исследователь из TSMC.
Но они также особенно актуальны для квантовых вычислений, где хрупкие квантовые состояния, используемые для обработки, чрезвычайно чувствительны к помехам.
Тепло особенно вредно, поэтому квантовые компьютеры обычно работают при температурах значительно ниже 4 Кельвинов с использованием специализированных систем охлаждения, называемых криостатами.
Эти требовательные приложения также находятся в центре внимания исследовательской группы Чжао в Исследовательском центре Юлиха.
«Требования к квантовой электронике чрезвычайно высоки, но технологии, разрабатываемые в этом контексте, могут проложить путь для высокопроизводительных вычислений при криогенных температурах и для универсальных криогенных систем, которые объединяют фон-неймановские, квантовые и нейроморфные процессоры — и все это со сверхнизким энергопотреблением», — объясняет Чжао.
Крупные производители полупроводников также работают над этой темой.
Эксперты из TSMC, крупнейшего в мире завода по производству микросхем, базирующегося в Тайване и известного производством высокопроизводительных микросхем для таких компаний, как Apple, Nvidia и AMD, также были вовлечены в текущее исследование.
Рубрика: Наука и Hi-Tech. Читать весь текст на android-robot.com.