Microchip 3D 1000 veces más rápido que los existentes

Los científicos han inventado un nuevo método para el desarrollo y la creación de microchips de computadora, que puede acelerar significativamente el procesamiento de datos al menos 1000 veces en comparación con las CPU existentes. Este método se basa en un material llamado nanotubos de carbono y le permite construir un microchip en tres dimensiones.



Según Max Shulaker, miembro del equipo de diseño de chips y candidato a un doctorado en ingeniería eléctrica en la Universidad de Stanford de California, este proyecto 3D ahorra significativamente espacio en el sistema y aumenta la velocidad del procesamiento de datos. Esto se logra debido al hecho de que los científicos contienen una memoria que almacena todos los datos y compacta la cantidad de procesadores en un espacio en miniatura.

Reducir la distancia entre dos elementos puede acelerar significativamente el tiempo de procesamiento de los comandos por parte de una computadora.


Foto de Max Schalaker.

Ve más despacio

Las capacidades computacionales de los sistemas informáticos en los últimos 50 años se han mejorado constantemente. Esto se debe en gran medida a la capacidad de reducir continuamente los transistores de silicio y los interruptores de tres vías con los que se realizan las operaciones lógicas.

De acuerdo con la Ley de Moore, una regla general formulada por Gordon E. Moore en 1965, el número de transistores de silicio en un chip debe duplicarse cada dos años. Lo cual es cierto, para seguir aún más la regla, debe reducir los pequeños transistores de silicio a 5 nanómetros. Pero aquí surge un problema: el límite para el silicio, que es de 7 nanómetros (en comparación, el tamaño promedio de un cabello humano es de aproximadamente 100,000 nanómetros). La reducción de escala posterior conducirá al hecho de que el efecto cuántico de las partículas puede interrumpir su funcionamiento. En consecuencia, la ley de Moore llegará a su fin lógico en los próximos diez años. Además, un aumento sin fin en el número de transistores en un chip no es el único método para aumentar el rendimiento del sistema.


Transistores en microcircuitos modernos. (Foto tomada con microscopio electrónico).

Problema de comunicación

Según Shalaker, uno de los principales obstáculos para la velocidad de procesamiento de la computadora es la memoria.

El procesamiento de grandes cantidades de datos requiere una solicitud de datos previamente desconocidos que aún no se han almacenado en caché. En tales casos, tomará mucho tiempo completar una nueva solicitud. Una solicitud de información para procesar un comando particular irá primero al caché interno del procesador. Además, después de buscar en todos los niveles de la memoria caché, la respuesta será que no hay resultados y el núcleo enviará una solicitud a la RAM. Después de buscar en la RAM, nuevamente, la respuesta será que no se encontró nada. Y solo entonces la solicitud se enviará a la unidad de disco duro o SSD. La señal tendrá que pasar por cables relativamente gruesos (para electrones), superando la resistencia constante. Debe admitir que esta ruta es demasiado larga y durante este período de tiempo el núcleo ya habría logrado terminar el procesamiento varias veces.

Si realizó esta solicitud en lugar de su PC, el 96% del tiempo hubiera estado esperando. También vale la pena recordar que incluso cuando la CPU está esperando que lleguen las instrucciones, todavía consume electricidad. Una solución alternativa es combinar la CPU y la memoria en la misma placa. Es solo que no será posible colocar estos dos componentes en una placa: una oblea de silicio requiere calentamiento a 1000 ^° C, lo que conducirá a la fusión de elementos metálicos de una unidad de estado sólido o disco duro.

Nanotubos de carbon

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Si comparamos CNT con transistores de silicio en igualdad de condiciones y con la misma arquitectura, concepto de dispositivo, entonces los nanotubos serán mucho más rápidos en rendimiento y consumirán menos energía.

Sin embargo, los nanotubos crecen al azar y son más como espaguetis elaborados en una taza. Naturalmente, esta opción no es adecuada para la producción de microcircuitos. Los investigadores han desarrollado un método para cultivar CNT en ranuras estrechas, dándoles un crecimiento específico. Pero esto no resolvió todos los problemas. Mientras que el 99.5% de los nanotubos crecen de manera ordenada, el 5% se niega obstinadamente a crecer a lo largo de la ruta planificada. La salida de esta situación fue un poco inesperada. Los agujeros en la región de CNT defectuosos permiten que el chip funcione exactamente como se esperaba, neutralizando los defectos de crecimiento de los nanotubos.


Crecimiento de nanotubos. (Foto tomada con microscopio electrónico).

Otro problema emergente profetizó arruinar toda la empresa. Aunque la semiconductividad de la mayoría de los tubos crecidos es silicio, el resto tiene la conductividad del metal ordinario. Desafortunadamente, los científicos no sabían cuál de los tubos sería defectuoso. Estas pocas CNT podrían destruir todo el chip. Pero aquí se encontró una solución: Shalaker y sus colegas simplemente aplicaron enormes pulsos de voltaje al chip. Por lo tanto, los conductores actuaban como fusibles y se quemaban bajo la acción de alto voltaje. Y solo quedaban semiconductores en el chip.

Este equipo ya había creado una computadora basada en CNT, pero era lenta y engorrosa con un número relativamente pequeño de transistores. El procesador de este dispositivo es comparable en potencia al Intel 4004, lanzado en 1971. El primer procesador basado en nanotubos contenía 178 transistores; su longitud aproximada oscilaba entre 10 y 200 nanómetros.


Max Shalaker, en sus manos, es una oblea previamente fabricada con chips basados ​​en nanotubos de silicio.

Ahora, los investigadores liderados por Shalaker han creado un sistema para apilar memoria junto con capas de transistores, conectándolos con capas pequeñas. La nueva estructura ahorra significativamente el tiempo de las solicitudes y, en consecuencia, el tiempo de procesamiento completo del equipo. 1000 veces más rápido que sistemas similares de igual rendimiento. Usando la nueva arquitectura, el equipo ha creado muchas placas de sensores que detectan todo, desde luz infrarroja hasta ciertos químicos en el medio ambiente.

Anteriormente, escribí un artículo sobre una alternativa al silicio en forma de semiconductores basados ​​en InGaAs . Aquí hay otro en forma de nanotubos de carbono.
¿Y qué alternativas al silicio, como un semiconductor, sabes? ¿Cuáles son adecuados para los microchips del futuro?

Source: https://habr.com/ru/post/es384565/