Статья Цифровая электроника. Ноль и единица: почему компьютер не умеет «наполовину» закончилась на транзисторах толщиной в 15 атомов. Именно здесь начинается самое интересное - потому что физика на таких масштабах ведёт себя совсем не так, как в учебниках.
Туннелирование: электрон, которому стена не помеха
В классической физике электрон не может преодолеть барьер, если у него недостаточно энергии. В квантовой механике - может. С некоторой вероятностью электрон просто «просачивается» сквозь тонкую изолирующую плёнку, не имея для этого нужной энергии. Это явление называется квантовым туннелированием, и оно существует не только в теории - его открыли ещё в 1928 году.
Пока изолирующий слой под затвором транзистора был достаточно толстым, туннелирование было редкостью. В процессорах с нормой 90 нм (начало 2000-х) толщина окисла затвора составляла около 1,2 нм - примерно 5 атомарных слоёв. Ток утечки через такой слой уже стал заметным. При переходе к 45 нм инженеры уткнулись в стену: дальнейшее уменьшение окисла вело к катастрофическому росту токов утечки.
Решение нашли неожиданное. Вместо диоксида кремния (SiO2) стали использовать материалы с высокой диэлектрической проницаемостью - так называемые high-k диэлектрики, прежде всего оксид гафния (HfO2). Физически слой можно сделать толще - туннелирование уменьшается - а электрические характеристики сохраняются нужными за счёт высокой проницаемости материала. Эту идею Intel и IBM реализовали в 2007 году, назвав её «самым значительным изменением в транзисторной технологии за 40 лет».
Запрещённая зона уцелела. Но ценой замены одного из базовых материалов полупроводниковой индустрии.
FinFET: транзистор встаёт вертикально
Плоский транзистор на поверхности кремния к началу 2010-х исчерпал себя по другой причине: ток утечки тёк не только через затвор, но и вдоль канала между истоком и стоком, когда транзистор был закрыт. При размерах канала меньше 20 нм затвор просто не успевал «перекрыть» этот путь.
Выход - поставить канал вертикально. Транзистор типа FinFET (от английского fin - плавник) представляет собой тонкий вертикальный гребень кремния, охваченный затвором с трёх сторон. Управление каналом стало полным - ток утечки в закрытом состоянии упал на порядок.
Выглядит это как частокол микроскопических плавников высотой 30-50 нм, торчащих из подложки. На один транзистор приходится один-два таких плавника. В процессоре Apple M-серии их около 20 миллиардов.
Физический принцип не изменился: ключ с двумя состояниями. Изменилась геометрия - плоская схема стала трёхмерной.
Gate-All-Around: следующий шаг уже сделан
В 2022 году Samsung запустил первое серийное производство транзисторов типа GAA (Gate-All-Around) - затвор охватывает канал со всех четырёх сторон: снизу, сверху и с боков. Канал теперь выглядит как стопка горизонтальных нанолент, продетых сквозь затвор.
По сравнению с FinFET управление каналом ещё полнее, ток утечки ещё меньше, плотность упаковки выше. Intel внедрил аналогичную технологию под названием RibbonFET в процессорах Intel 20A/18A.
Это важно понять: вся эта инженерная изобретательность направлена на одну цель - сохранить надёжную запрещённую зону между нулём и единицей при всё меньших физических размерах. Идея Браттейна 1947 года продолжает работать, хотя сам транзистор теперь не имеет почти ничего общего с тем германиевым кристаллом.
Троичная логика: а что если состояний три?
В 1958 году советский учёный Николай Брусенцов в Московском государственном университете построил компьютер «Сетунь» - первый и единственный серийный троичный компьютер в истории. Вместо битов использовались триты: три состояния - -1, 0, +1. Вместо байта - трайт из шести тритов, способный хранить 729 различных значений против 64 у шестибитного двоичного слова.
«Сетунь» работал. Было выпущено около 50 машин, они эксплуатировались в университетах и учреждениях. По ряду характеристик - экономичности, плотности хранения информации - троичная система теоретически выгоднее двоичной.
Почему же вся индустрия пошла по пути двух состояний, а не трёх?
Причин несколько. Транзистор физически тяготеет к двум устойчивым состояниям - открыт или закрыт. Третье состояние требует точной установки промежуточного уровня напряжения, что возвращает все проблемы аналоговой схемы - нестабильность, температурный дрейф, помехи. Кроме того, к 1960-м годам двоичная элементная база уже стремительно развивалась, а инвестиции в стандарты, производство и программное обеспечение создали инерцию, которую не сломить теоретическими преимуществами.
Сегодня троичная логика остаётся академическим курьёзом. Разработки ведутся - в 2019 году исследователи из Нидерландов и Китая представили прототипы троичных транзисторов на основе дисульфида молибдена (MoS2) - но до серийного производства далеко.
Квантовый компьютер: кубит против бита
Вот где принцип двух состояний действительно ломается - и не из-за технической невозможности его соблюсти, а намеренно.
Квантовый бит, кубит, может находиться в состоянии суперпозиции: одновременно и ноль, и единица, с определёнными вероятностями для каждого. Это не то же самое, что «наполовину» в классическом смысле. Это принципиально другое: до момента измерения кубит описывается волновой функцией, которая включает оба состояния сразу.
Практическое следствие: квантовый компьютер с N кубитами одновременно «обрабатывает» 2^N состояний. Для 50 кубитов - это больше квадриллиона состояний одновременно. Классический компьютер обрабатывал бы их последовательно.
Звучит как абсолютное превосходство. Реальность скромнее.
Суперпозиция - хрупкое состояние. Любое взаимодействие кубита с окружающей средой - тепловые флуктуации, вибрации, электромагнитные поля - мгновенно разрушает её. Это называется декогеренцией. Именно поэтому квантовые процессоры работают при температуре около 15 милликельвин - холоднее открытого космоса в 10 000 раз.
Число «физических» кубитов у ведущих систем к 2025 году - несколько тысяч (IBM Eagle, Heron, Google Willow). Но из-за высокого уровня ошибок большинство из них тратится на коррекцию, а не на вычисления. «Логических» кубитов, которые реально работают надёжно, - единицы или десятки.
Квантовый компьютер не заменит классический для большинства задач. Умножение матриц, воспроизведение видео, работа с базами данных - всё это классические алгоритмы, которые квантовое ускорение не затрагивает. Зато для специфических задач - факторизации больших чисел (что взламывает большинство существующих криптосистем), моделирования молекул для фармацевтики, оптимизации сложных систем - квантовые алгоритмы дают принципиальное преимущество.
Нейроморфные чипы: между нулём и единицей - намеренно
Есть ещё один подход, который идёт в сторону, прямо противоположную квантовым компьютерам. Нейроморфные процессоры - Intel Loihi, IBM TrueNorth - имитируют работу нейронов мозга.
Нейрон мозга не работает по принципу «ноль или единица». Он накапливает сигналы от тысяч других нейронов - аналогово, непрерывно - и выдаёт импульс только тогда, когда суммарный заряд превышает порог. Это называется «интегрируй-и-стреляй» (integrate-and-fire).
Нейроморфный чип воспроизводит этот механизм электронными средствами. Каждый «нейрон» на кристалле имеет аналоговое накопительное состояние, конденсатор с зарядом, и цифровой выход: выстрелил или нет. Граница между аналоговым и цифровым здесь не стирается, а используется как рабочий механизм.
Intel Loihi 2 содержит около миллиона нейронов и 120 миллионов синапсов. Потребляет менее 1 Вт. Для задач распознавания образов и обработки потоков событий (например, данных с камер типа event camera) он на несколько порядков эффективнее классического GPU.
Это не замена классическому процессору. Это специализированный инструмент для задач, где мозг работает лучше машины - а значит, стоит попробовать сделать машину похожей на мозг.
Где настоящий потолок
Закон Мура формально замедлился, но вычислительная мощность продолжает расти - за счёт трёхмерной компоновки кристаллов (чиплеты), специализированных ускорителей (GPU, TPU, NPU), новых архитектур памяти.
Физический потолок классической цифровой логики - тепловыделение. Каждое переключение транзистора рассеивает энергию в виде тепла. Процессор Apple M4 содержит 28 миллиардов транзисторов на площади около 130 мм2 и выделяет до 40 Вт. Это 300 мВт на мм2 - примерно как поверхность чайника для кипячения воды. Охлаждать кристалл дальше физически сложнее, чем уменьшать транзисторы.
Принципиальный предел установил Рольф Ландауэр в 1961 году: стирание одного бита информации необратимо рассеивает минимальное количество энергии. При комнатной температуре это около 3 х 10-21 Дж - ничтожно мало. Современные транзисторы рассеивают при переключении в десятки тысяч раз больше этого предела. Теоретический запас для улучшения огромен. Добраться до него - другой вопрос.
Запрещённая зона между нулём и единицей никуда не исчезнет. Но физика, которая её поддерживает, продолжает меняться - от германия Браттейна до оксида гафния, от плоского транзистора до вертикальных нанолент, от кремния до, возможно, графена или нитрида галлия. Каждый раз инженеры находили способ сохранить принцип, меняя материал и геометрию.
Смотрите дельше: Транзистор: как один кристалл кремния изменил цивилизацию
Рекомендую к изучению: Как устроены электронные устройства и как применять основные компоненты в реальных схемах
Повный А. В., преподаватель Филиала Белорусский государственный технологический университет «Гомельский государственный политехнический колледж»