.

Отсюда живой интерес к развивающимся альтернативным технологиям — и в первую очередь, к так называемым нанотехнологиям, обещающим продлить действие закона Мура в период после 2016 года. Я пишу «так называемые», поскольку полупроводниковая отрасль вступила в наномир уже в 2000 году, когда был реализован 130-нанометровый процесс, в котором длина вентиля составляла 70 нм, а в 2002 году начал использоваться 90-нанометровый процесс. Специалисты (и я в их числе) уверены в том, что масштабирование КМОП может быть продолжено на протяжении еще 12-15 лет. Они убеждены и в том, что новые альтернативные решения, которые разрабатываются сегодня, дадут путевку в жизнь и новым масштабируемым технологиям, которые позволят работать с несколькими поколениями процессоров на протяжении еще лет тридцати.

Чтобы составить более четкое представление о том сложном наборе технологий, которые начинают заявлять о себе, полезно рассмотреть уроки, усвоенные полупроводниковой индустрией на протяжении нескольких последних десятилетий. Этот опыт говорит и том, что понадобится для того, чтобы довести первоначальные замыслы исследователей до серийного производства.

Взгляд в прошлое

Многие из технологий в сфере микроэлектроники, которыми мы пользуемся сегодня, возникли благодаря фундаментальным научным открытиям, совершенным в 30-е и 40-е годы; они были связаны с осуществлявшимися во время Второй мировой войны проектами по разработке полупроводниковых радаров. Особого упоминания заслуживают концепция зонной структуры, влияние примесей на свойства полупроводников, а также успехи в разработке высококачественных кристаллических интерфейсов кремния и германия.

Исследователи начали использовать эти открытия примерно с 1946 года, и почти все полупроводниковые технологии, применявшиеся на протяжении последнего полувека, были разработаны в течение последующих 15 лет:

  • 1948 год: биполярные транзисторы;
  • 1953 год: полевые транзисторы;
  • 1955 год: светоизлучающие диоды;
  • 1957 год: туннельные диоды;
  • 1959 год: интегральные схемы;
  • 1962 год: полупроводниковые лазеры.

В то время предлагалось множество материалов, но главенствующее положение занял кремний, что объясняется качеством интерфейса кремния и двуокиси кремния и его свойствами, обеспечивающими возможность масштабирования. Кремний в сочетании с изящной структурой полевых транзисторов дали возможность одновременно добиваться уменьшения размеров устройств, повышения их быстродействия и снижения расходов на их изготовление. Триединая формула — «меньше, быстрее и дешевле» — стала движущей силой основанной на полупроводниках современной микроэлектроники.

Стена из красных кирпичей

Упомянутую выше «дорожную карту» можно представить таблицей, где колонки обозначают даты и номера фабрик, а строки описывают различные технические требования, выполнение которых необходимо для достижения к данной дате целей разработки, связанных с данной фабрикой [1]. Зеленые ячейки в дорожной карте представляют известные технологии, которые уже используются; желтые — известные, но еще не доведенные до стадии практического применения; а красные — еще не разработанные технологические решения. Отсюда и название — стена из красных кирпичей.

В соответствии с сегодняшними представлениями эта стена, отделяющая то, что мы знаем, от того, чего не знаем, будет преодолена примерно в 2007-2008 годах. Вопрос не в том, что мы не сумеем перебраться через эту стену; просто пока мы не знаем, как это сделать. Но мы уверены, что сумеем продолжать масштабирование КМОП-технологии все по тем же трем направлениям, которые помогли достичь сегодняшних рубежей. Это новые материалы, усовершенствованные процессы и новые геометрии.

Индустрия полупроводников уже вступила в наномир. Разработана 90-нанометровая технология, а исследователи уже создали 15-нанометровые транзисторы.

С 60-х годов, когда полупроводниковые изделия производились в основном из кремния, двуокиси кремния и алюминия, появились многочисленные новые материалы (среди прочих, это медь, титан и вольфрам), которые помогают продолжать масштабирование. В будущем мы станем свидетелями появления новых диэлектриков для вентилей, истоков и стоков, а также материалов для структур электронных схем и каналов (таких, как кремний-германиевые сплавы или «растянутый» кремний).

Рис. 1. Структура созданного в Intel опытного образца трехвентильного транзистора. Сток соединяется с истоком вертикальным каналом, а вентиль охватывает канал с трех сторон. Свойства этой структуры лучше, чем у монолитных плоских транзисторов; она обеспечивает очень хорошее управление током внутри канала, весьма хорошие характеристики напряжения тока, а также допороговые откосы

Появятся и новые геометрии. На рис. 1 показана структура трехвентильного транзистора с улучшенными свойствами по сравнению с монолитными плоскими транзисторами. В данном случае устройство имеет вертикальный канал, соединяющий исток со стоком. Вентиль охватывает канал с трех сторон; при этом обеспечивается очень хорошее управление током вентиля внутри руслового стока, очень хорошие характеристики напряжения тока и очень хорошие допороговые откосы.

Наряду с новыми геометриями появятся и усовершенствованные технологии травления, обжига и имплантирования. Но ясно и то, что для уменьшения размеров транзисторов до уровня 15 нм потребуются новые технологии формирования изображений. Опытный образец оборудования EUV-литографии, эксплуатируемый в лабораториях университета в Беркли, позволяет вытравливать линии толщиной 50 нм, но, учитывая, что при этом применяется излучение с длиной волны 13 нм, есть основания полагать, что достижим и уровень 15 нм.

Технологические ограничения

Анализ, основанный на фундаментальных принципах квантовой механики, показывает, что рассеивание тепла в конечном итоге будет ограничивать возможности любого логического устройства, использующего в своей работе электрические заряды [2]. Этот анализ произвольного переключателя, состоящего из одного электрона в двойной квантовой яме, разделенной барьером и функционирующего при комнатной температуре, показывает, что мощность, снимаемая с поверхности материала, в конечном итоге ограничивает плотность устройства и частоту его действия. При использовании пассивных методов охлаждения без активных или термоэлектрических элементов данное ограничение действует примерно на уровне 100 ватт на квадратный сантиметр. Расчет показывает, что даже если нанотрубки позволят создавать устройства с меньшими размерами и более высоким быстродействием, из-за рассеяния энергии придется увеличивать площади этих устройств и снижать их быстродействие — иначе кристаллы просто будут испаряться.

Из-за этого фундаментального ограничения исследователи проявляют повышенный интерес к современным средствам сохранения данных о результатах вычислений, не предполагающим использование зарядов электронов.

Нановычисления

Чтобы как-то рассортировать довольно сложный для структурирования набор исследовательских проектов в области нанотехнологий, представленный на рис. 2, полезно задать следующие вопросы: «Идет ли речь об устройстве или об архитектуре? Что предлагается — новая переменная состояния или новое представление данных?»

В качестве средства систематизации удобно прибегнуть к иерархии из четырех уровней: устройства, архитектуры, переменные состояния и способы представления данных. Обратимся к знакомому примеру. В простейшем КМОП-устройстве, полевом транзисторе, используются булевы логические элементы (элементы AND/OR, XNOR и т.д.) на основе булевой архитектуры, а переменная состояния ассоциируется с наличием или отсутствием электрического заряда, что соответствует состояниям 1 или 0 в двоичном цифровом представлении данных.

Отнесение элементов, заполняющих пространство развивающихся альтернативных технологий, к категориям «устройства», «архитектуры», «переменные» и «данные» — непростая задача. Вероятно, эта систематика будет еще неоднократно пересматриваться, однако ее можно рассматривать как некоторую отправную точку.

Устройства

Устройства составляют самый нижний уровень систематики. Это, так сказать, самые осязаемые объекты. Отдельное устройство можно рассматривать под микроскопом, можно исследовать его с помощью зонда и характеризовать его действие в терминах «на входе имеем то-то, на выходе — то-то».

В настоящее время исследователи активно занимаются изучением использования в опытных образцах молекулярных электронных устройств подобных полевым транзисторам. Речь идет о таких молекулярных материалах, как углеродные нанотрубки (carbon nanotube, CNT) и кремниевые нанопроволоки. Интерес к этим материалам объясняется тем, что благодаря своим компактным молекулярным структурам они, возможно, обеспечат более значительную миниатюризацию, нежели самые совершенные литографические технологии. В некоторых приложениях — например, в устройствах памяти — такой подход сулит определенные преимущества, однако расчет фундаментального предела показывает, что если молекулярные устройства будут меньше миниатюризованных КМОП-устройств, им придется функционировать с меньшим быстродействием.

Углеродные нанотрубки. Чтобы создать нанотрубку, тончайший «лист» атомов преобразуется в матрицу шестиугольников и сворачивается в молекулярные трубки, или цилиндры диаметром от 1 нм до 20 нм и длиной от 100 нм до нескольких микрон. Детали процесса производства определяют электронные свойства нанотрубки, точнее, определяют, чем она является — полупроводником или металлом. Исследователи из нескольких организаций создали структуры CNT-устройств со стандартными истоком областью, стоком и логическим элементом, но не имеющих кремниевого канала; его место, как показано на рис. 3, занимает углеродная нанотрубка.

Рис. 3. Опытное CNT-устройство. Углеродная нанотрубка, соединяющая исток, сток и изоляционный слой, обеспечивает рабочие характеристики, близкие к теоретическому пределу

Недавние исследования в Корнельском университете свидетельствуют о том, что методом напыления атомного слоя двуокиси циркония 8-нанометровой пленкой поверх матрицы углеродных нанотрубок можно создать характеризующийся низким уровнем утечки диэлектрик [3]. Двуокись циркония обеспечивает изоляцию, а значит, и высокую емкость, что дает возможность эффективной инжекции зарядов и снижает утечку тока. Рабочие характеристики данного опытного образца устройства показывают хорошие коммутационные характеристики, измеренные у подпорогового уклона. Подпороговый уклон в 70 мВ на десятичный разряд для транзисторов p-типа приближается к теоретическому пределу для комнатных температур, составляющему 60 мВ. Подпороговый размах — важный параметр в деле миниатюризации транзисторов: он показывает, насколько эффективно малая амплитуда колебаний напряжения вентиля может пропускать электрический ток. Если пропускаемый ток мал, это непосредственно приводит к уменьшению резервной мощности, что может стать серьезной проблемой на пути к созданию изделий, которые должны появиться на завершающих этапах «дорожной карты».

Все известные процессы изготовления CNT-материалов дают на выходе «винегрет» из нанотрубок всех типов и размеров. Для изготовления устройств их нужно разделить на группы нанотрубок сходных размеров и свойств. На сегодняшний день единственный способ разделения трубок — осуществляемый вручную сложный процесс с использованием сканирующего туннельного микроскопа. Еще один камень преткновения в процессе изготовления CNT-устройств — это проблема контактного сопротивления (она является не менее серьезным препятствием и применительно к более традиционным КМОП-устройствам). Даже теоретически «наилучшее» значение в 6 кОм является слишком высоким и будет ограничивать максимальную силу тока.

Ясно, что такие опытные образцы представляются перспективными, хотя вопрос о том, станут ли они реально конкурентоспособными, остается открытым.

Кремниевые нанопроволоки. Результаты недавних экспериментов (их, правда, пока нельзя считать окончательными) указывают на то, что квантовое удержание в поперечном направлении кремниевых нанопроводов приводит к большей подвижности, нежели в монолитном кремнии [4]. Природа данного эффекта еще не вполне понятна. Если рассматривать данное наблюдение с учетом желаемых характеристик и обширной базы результатов исследований, связанных с кремнием, можно заключить, что использование кремниевых нанопроволок вместо каналов из объемного кремния имеет неплохую перспективу.

Рис. 4. Наноустройства: (a) задний вентиль, (б) металлическая вентильная структура, разделенная окисью, (в) коаксиальная структура. Кремниевая нанопроволока соединяет контактные точки истока области и стока в различных вентильных структурах

Кремниевые нанопроволоки изготовляются в нескольких геометриях. На рис. 4 показаны три варианта устройств, в которых кремниевые нанопроволоки соединяют контактные точки истока и стока, но вентильные структуры во всех случаях различны. В настоящее время проводятся эксперименты с целью измерения электрических характеристик коаксиальных структур с толщиной окиси, составляющей несколько нанометров; предполагается, что характеристики данных структур будут гораздо ближе к теоретическому пределу.

Применение кремниевых нанопроволок в процессе изготовления полевых транзисторов дает ряд преимуществ, недоступных при использовании монолитного кремния; кроме того, упомянутые элементы могут использоваться и в других структурах. Примером таких альтернативных структур могут служить коммутирующие матрицы. В таких структурах одна матрица параллельных нанопроводов накладывается на вторую матрицу нанопроволок, ориентированных под прямым углом к первой матрице. Пункты пересечения матриц можно использовать для хранения или коммутирования информации в зависимости от деталей устройства [5, 6].

Рис. 5. Коммутируемое соединение с подвешенной нанотрубкой. Одна матрица нанопроволок накладывается на вторую, ориентированную под прямым углом к первой. В зависимости от деталей устройства точки пересечения матриц могут использоваться либо для хранения, либо для коммутации информации

На рис. 5 пересекающиеся нанопроволоки (или нанотрубки) выступают в качестве переключателей; бистабильные позиции могут иметь состояние «открыто» или «закрыто». Механическое равновесие проводов поддерживает нейтральную позицию («открыто»). В случае приложения к проводам противоположных зарядов они притягиваются друг к другу и в конце концов входят в контакт; в этот момент молекулярные силы удерживают их в позиции «закрыто».

В случае приложения к двум проводам одинаковых зарядов провода расходятся и принимают первоначальную позицию.

Эти изолированные устройства не могут конкурировать с миниатюрными кремниевыми устройствами по быстродействию. Их потенциал в повышении плотности и в снижении расходов на производство. Сторонники поперечных архитектур утверждают, что матрицы таких устройств могут «самовыстраиваться» с помощью жидкостной сборки или методом Лангмаера-Блоджета. Основные проблемы состоят в обеспечении усиления, необходимого для восстановления сигнала и для развертывания, а также в том, как организовать подключение самособирающихся модулей к глобальным линиям управления. Уже в ближайшие годы успех или неуспех работ на данном направлении покажет, насколько обоснованы сегодняшние надежды.

Другие устройства. Компания NEC представила функционирующий при комнатной температуре одноэлектронный транзистор (single-electron transistor, SET). Ток в направлении от истока к стоку контролируется в данной точке наличием или отсутствием одного электрона с помощью эффекта блокады Кулона. При изменении напряжения на электродах вентиля проводимость точки характеризуется сильными колебаниями. Каждый последующий пик проводимости соответствует дискретному добавлению к точке одного электрона. Пока данное опытное устройство дает сбои из-за наличия в субстрате «блуждающих» (stray) зарядов, однако, по-видимому, существует возможность разрешения этой проблемы.

Кроме того, недавно были экспериментально продемонстрированы несколько концепций организации памяти на одном электроне [7, 8]. Пока что сообщалось о двух крупных недостатках, присущих всем устройствам памяти на одном электроне. Во-первых, они могут функционировать лишь при очень низких температурах (до 20 градусов по Кельвину), а во-вторых, эти устройства создают фоновые заряды.

Еще одно недавно созданное устройство — молекулярный переключатель, разработанный в Йельском университете [9]. Молекулярная память — широкий термин, применяемый для обозначения различных вариантов использования отдельных молекул в качестве строительных блоков ячеек памяти, где бит информации может храниться в пространстве атома, молекулы или ячейки. Если разместить порядка 100 молекул между истоковой областью и стоком, их молекулярное состояние, а значит, и электрические характеристики будут изменены. Хранение данных в подобной молекулярной памяти обеспечивается приложением внешнего напряжения, которое вызывает переход соответствующей молекулы в одно из двух возможных состояний проводимости. Считывание данных в такой памяти осуществляется путем измерения изменений в сопротивлении молекулярной ячейки. Соответствующие характеристики часто изображаются в виде графика гистерезиса, где по горизонтальной оси откладывается напряжение, а по вертикальной — сопротивление.

Во всех упомянутых устройствах в качестве переменных состояния выступают электроны, однако можно представить себе устройства, в которых используются другие переменные состояния. Так, в транзисторе на базе спин-резонанса управление спином электронов, связанных с двумя атомными ядрами фосфора, осуществляется с помощью прилагаемого к вентилю напряжения [10]. Этот пример показывает, что управлять можно не только зарядом электронов; в данном случае объект управления — спин ядер.

Архитектуры

Архитектура представляет собой следующий, более высокий уровень систематики; от уровня устройств его отличает всего лишь чуть большая абстракция. На уровне микроархитектуры применяются различные решения, но при этом большинство микропроцессоров строится на основе архитектуры с использованием набора команд Intel x86. Но исследователи предлагают альтернативные решения, и для обеспечения их работы потребуются принципиально новые архитектуры. В таблице 1 перечисляются характеристики шести экспериментальных архитектур.

Трехмерная гетерогенная интеграция. Есть два фактора, побуждающих исследователей работать над интеграцией полупроводниковых устройств в трехмерных матрицах. Прежде всего, это связано со стремлением предложить оптимальный инструмент для задач обработки информации, для чего необходимо интегрировать несходные технологии на общей платформе.

Ясно, что новые технологии, превосходящие по своим возможностям КМОП, могут дать несравненно более высокие результаты, поскольку обеспечивают подбор и объединение различных технологий для соответствующих приложений. Такое сочетание требует трехмерной интеграции функционально несходных технологий, начиная с микропроцессоров, заказных интегральных схем и динамической памяти и заканчивая радиочастотными, аналоговыми, оптическими и микроэлектромеханическими технологиями. В число этих несходных технологий позднее могут войти средства трехмерной интеграции молекулярных, полимерных, квантовых полупроводников и других новых технологий на кремниевой основе.

Еще один фактор, говорящий в пользу трехмерной интеграции, — это необходимость сократить задержки для достижения максимальной производительности системы. В определенных, идеальных, обстоятельствах трехмерное наложение устройств будет сокращать взаимосвязанные задержки на существенную величину t относительно эквивалентного числа транзисторов, объединенных в планарную структуру [11, 12]. В принципе трехмерная интеграция может быть осуществлена либо с помощью низкотемпературной спайки пластин, либо путем монолитной интеграции на общем субстрате. Спайка пластин имеет существенные ограничения, связанные с проблемой выравнивания; в настоящее время эта операция выполняется с точностью до 1-5 микрон. Множество проблем, типичных для процессов интеграции материалов, ограничивают возможности применения такого подхода. Разработчикам приходится решать непростые вопросы, связанные с отводом теплоты, поскольку при выполнении операций трехмерной интеграции отношение поверхность к объему ниже, чем у планарных схем. Как представляется, наиболее многообещающим приложением для технологий трехмерной интеграции является комбинирование памяти с микропроцессорами.

Квантовые клеточные автоматы (quantum cellular automata, QCA). В парадигме QCA локально взаимосвязанная архитектура состоит из обычной матрицы ячеек, содержащей несколько квантовых точек. Сопряжение между ячейками обеспечивается не с помощью проводов, а посредством электростатического взаимодействия. При внедрении в ячейку пары электронов состояние данной ячейки определяется ориентацией этой пары. Два бистабильных состояния, представляющие 1 и 0, выравниваются в одном из двух направлений; при этом электроны располагаются в противоположных углах ячейки. Почти все QCA-устройства являются электронными, однако недавно были разработаны и магнитные варианты; правда, оценить их рабочие характеристики пока не удается. Сочетание этих автоматов позволит выполнять функции, совершенно непохожие на действие булевых логических элементов.

Архитипически QCA занимают промежуточную позицию: с одной стороны, это новая архитектура, а с другой — новое устройство; все это явно говорит в пользу того, что для создания новых устройств могут потребоваться и новые архитектуры. Если ячейки расположены в виде обычной квадратной решетки, для описания алгоритма обработки информации можно применить проверенную временем теорию клеточных автоматов, а также ее развитие, теорию клеточных нелинейных — или нейронных — сетей (cellular nonlinear network, CNN). С помощью QCA-решеток можно решать определенные типы диффузионных и волновых уравнений [13]. Теоретически, их можно использовать для решения произвольных цифровых логических задач, но такие системы были бы чрезвычайно неэффективны. Однако если отойти от обычной «решетчатой» структуры, можно создавать QCA-структуры, которые могли бы с умеренной эффективностью выполнять универсальные вычисления.

QCA-автоматам нужна не только неоднородная структура; наряду с этим им требуется пространственно неоднородное «поле синхронизации», которое управляет переключением ячеек из одного состояния в другое, позволяя довольно быстро переходить в стабильное конечное состояние. Применение синхронизации означает усложнение QCA-цепей, но в то же время намного увеличивает возможный диапазон их использования. С помощью QCA-ячеек можно создавать полные наборы булевых логических элементов и конструировать произвольные вычислительные структуры. Однако как явствует из результатов последних исследований, быстродействие электронных QCA-схем будет ограничено значениями до 10 МГц [14, 15].

Дефектоустойчивая архитектура. Поскольку существует возможность создания элементов, размеры которых измеряются нанометрами и которые, по-видимому, не удовлетворят требования по устойчивости и надежности, типичные для систем более крупных размеров, возникает необходимость разработки дефектоустойчивого оборудования. Системы, состоящие из компонентов с сопоставимыми с молекулами размерами, вероятно, будут во многом несовершенными, и вычислительные системы, сконструированные на основе традиционного принципа исключения дефектов, не смогут функционировать.

Если говорить об обычной интегральной схеме, проектировщики описывают ее функцию и после этого создают ее «в кремнии». В концептуальном плане в основу дефектоустойчивой архитектуры положена прямо противоположная идея. Конструкторы создают «видовой» набор проводов и переключателей, затем настраивают эти ресурсы, устанавливая соединяющие их переключатели в такое положение, чтобы получить желаемое действие [16]. Краеугольным камнем дефектоустойчивых систем является избыточность аппаратных ресурсов — переключателей, ячеек памяти и проводов. Отсюда следует, что плотность их интеграции должна быть весьма высокой. Существует возможность свести производственные затраты до весьма низкого уровня, но это в том случае, если исследователи сумеют актуализировать схему химической самосборки, а также предусмотреть адекватные средства глобальной взаимосвязи. Такую схему придется тщательно тестировать, что выльется в значительные накладные расходы.

Важно различать дефектоустойчивые и отказоустойчивые архитектуры. Отказоустойчивые системы предназначены для преодоления преходящих проблем; обычно в них реализуются те или иные средства избыточных проверок. Как дефектоустойчивые, так и отказоустойчивые системы имеют некоторый верхний предел числа дефектов или отказов, с которыми они могут справиться до того, как процесс коррекции возобладает над общей эффективностью вычислительных операций. Как представляется, этот численный предел составляет от 20 до 25% неисправных элементов или дефектов в вычислениях.

Фазовая логика. Хотя фазовая логика — это архитектура, этот термин тесно связан с использованием фазы в качестве переменной состояния. Авторство этой идеи обычно приписывается Ричарду Фейнману, который еще в 50-е годы получил патент на устройство, которое он называл параметерон (parameteron). Фейнман утверждал, что информацию можно хранить как относительную фазу двух осциллирующих аналоговых сигналов в цепи осциллятора. Один сигнал именуется шаблонным, а другой — управляющим. При изменении фазы управляющего сигнала относительно шаблонного сигнала «изменяется состояние» и логика. Если в схеме имеются только две допускаемые относительные фазы, то можно реализовать как двоичную, так и многозначную логику.

Туннельная фазовая логика — более поздняя реализация той же идеи [17]. В ней шаблонный сигнал генерируется резонантным туннельным диодом. Управляющий сигнал создается с помощью более традиционной схемы осциллятора, но эта схема и в данном случае хранит информацию как относительную фазу между двумя сигналами. Реализация туннельной фазовой логики сопряжена с множеством трудностей, связанных в первую очередь с изготовлением однородных туннельных диодов, и с блуждающими фоновыми зарядами.

Квантовые вычисления. Можно привести множество конкретных примеров квантовых компьютеров, включая твердотельные устройства [18]. Другие варианты — жидкостные системы, системы, основанные на использовании ядерного магнитного резонанса, на линейных ионных ловушках или ни квантовых точках. Предложено множество методов реализации, однако ясно, что для манипулирования квантовой информацией понадобятся новые архитектуры.

Для хранения и манипуляции информацией когерентные квантовые устройства используют данные о фазе функции квантовой волны. Кубит (qubit — «квантовый» бит), информация о фазе квантового состояния, исключительно чувствителен к внешней среде. Кубит легко вовлекается в квантовые состояния частиц в локальной среде, а ведь ни одна физическая система не может быть полностью изолирована от своей среды. Но ту же чувствительность можно использовать и для того, чтобы вовлекать прилегающие кубиты такими способами, которые могут контролироваться с помощью физических вентилей.

Краеугольная идея квантовой обработки информации состоит в том, что манипуляции со всеми отдельными элементами бесконечной суперпозиции волновых функций осуществляются параллельно и таким образом достигается мощное ускорение по сравнению с традиционными компьютерами. Проблема в следующем: нужно так манипулировать этими волновыми функциями, чтобы они выполняли бесполезные действия, а затем найти способ считать результат произведенных вычислений.

В сущности, было предложено три различных подхода к реализации квантовых компьютеров:

  • резонансные квантовые системы, включая NMR [19], линейную оптику [20] и электродинамику квантовых резонаторов [21];
  • атомные квантовые системы, включая системы на базе ионных ловушек [22] и оптических структур [23] и
  • твердотельные квантовые системы, в том числе на базе полупроводников [18] и сверхпроводников [24].

Остановимся на твердотельных квантовых системах. Такие решения, по-видимому, являются наиболее перспективными с точки зрения понижения уровня сложности для применения в коммерческих приложениях. Концептуально кубит соответствует биту в традиционной вычислительной модели, но имеет гораздо более широкий набор представлений. Кубит — не просто конечноразмерное двоичное представление информации; это элемент в гилбертовом пространстве, содержащий целый континуум квантовых состояний. Поэтому квантовые компьютеры функционируют в гораздо более богатом пространстве состояний, нежели двоичные компьютеры.

Исследователи определили на базе концепции кубитов множество наборов элементарных квантовых вентилей, которые переносят данные с набора входных квантовых регистров на набор выходных квантовых регистров. Один вентиль может вовлекать квантовые биты, размещенные в двух прилегающих квантовых регистрах, а комбинации вентилей могут быть использованы для выполнения более сложных вычислений. Как и в булевых вычислениях, существуют минимальные наборы квантовых вентилей, которые являются завершенными применительно к данному набору вычисляемых функций. Теоретически квантовые компьютеры не уступают стандартным компьютерам аналогичного уровня сложности и сопоставимой производительности. Но более интересно то обстоятельство, что при решении некоторых важных классов проблем квантовые компьютеры превосходят своих аналоговых собратьев. В частности, Питер Шор показал, что квантовый компьютер может определить два главных множителя числа за полиномиальное время [25]. Этот поистине замечательный результат показывает, что применительно к данному конкретному классу задач квантовый компьютер «экспоненциально» лучше, нежели стандартный компьютер.

Главный фактор, обеспечивший достижение подобного результата, — это способность квантового компьютера эффективно рассчитывать квантовое преобразование Фурье. Упомянутый результат может быть немедленно применен в криптографии. По существующим оценкам, нескольких тысяч квантовых вентилей было бы достаточно для взлома 100-разрядного кода RSA. Существует и ряд других приложений, которые являются вариантами задачи разложения на множители [26].

Переменные состояния

В данном контексте термин «переменные состояния» относится к идее машины конечных состояний, выдвинутой Аланом Тьюрингом в 30-х годах. Идея заключается в том, что существует множество способов хранения информации или состояний, обеспечивающих возможность манипулирования ею и ее хранения. Самый первый по времени пример устройства хранения с ограниченным числом состояний — счеты, где численные данные представлены положением костяшек на стержнях. В данном примере переменная состояния — это просто физическая позиция костяшек, а процедура считывания данных сводится к тому, что оператор смотрит на счеты. Манипулирование данными состоит в том, что пальцы оператора физически перемещают костяшки.

Температурные эффекты будут ограничивать пространственную миниатюризацию любого логического устройства, в котором являющаяся объектом манипуляций переменная состояния есть электрический заряд. Непосредственное следствие данного наблюдения состоит в том, что в поисках альтернативных логических устройств следует исходить из необходимости вместо электрических зарядов использовать другие переменные состояния.

В первых запоминающих устройствах на магнитных сердечниках для хранения сведений о состояния использовались магнитные диполи; ориентация последних соответствовала тому или иному состоянию. Подобным же образом при использовании бумажных перфолент и перфокарт состояние отображалось наличием или отсутствием отверстий. В числе прочих альтернативных переменных состояния можно назвать следующие:

  • состояние молекулы;
  • ориентация спина;
  • ориентация электрического диполя;
  • интенсивность или поляризация фотонов;
  • состояние квантов;
  • состояние фазы и
  • механическое состояние.

Представления данных

Недавние достижения в области наращивания вычислительной мощности, а также ожидаемый рост данного показателя в близком будущем имеют своим следствием парадоксальную ситуацию: человек может генерировать гораздо больше данных, чем в состоянии использовать или интерпретировать. Цель осуществляемых ныне исследований в области альтернативных представлений данных в том, чтобы компактно представить основные характеристики набора данных, полезные для конкретного приложения.

Так, в процессе сжатия изображений с использованием методов обнаружения границ выполняется сканирование изображения, которое состоит из двоичных данных, сгенерированных другими приложениями, и извлечение сжатых данных. Сегодня, когда мы сталкиваемся с альтернативными устройствами, архитектурами и переменными состояния, напрашивается вывод о том, что использование альтернативных способов представления данных с целью манипулирования, хранения и визуализации информации может дать определенные преимущества.

Лучшая иллюстрация этого — применение преобразований Фурье для анализа временных рядов. Предложенный Фурье метод разложения произвольной временной последовательности обеспечивает компактное представление большого объема данных. Справедливо и то, что существует возможность работать исключительно внутри пространства преобразований и в ряде случаев добиваться существенной эффективности. Концепция альтернативных переменных состояния есть обобщение данной концепции, которую можно с успехом использовать применительно к задачам, подобным распознаванию лиц и иерархическому сжатию данных. Как таковая, она представляет собой четвертую и наиболее абстрактную категорию в предлагаемой таксономии вычислительных средств на базе нанотехнологий.

Критерии разумности

Мы не имеем возможности предсказать, на основе каких устройств, архитектур, переменных состояния или способов представления данных возникнет следующая масштабируемая технология построения вычислительных систем. Но мы можем предложить некоторый набор критериев разумности для того, чтобы отличать те идеи, которые могут быть использованы при организации серийного производства, от тех, которые вряд ли будут востребованы.

Экономические критерии

Можно с уверенностью предсказать, что процесс миниатюризации будет продолжаться до тех пор, пока мы будем следовать экономическому императиву, согласно которому отношение приращения расходов к приращению производительности должно быть меньше, чем у альтернативных технологий.

Такой критерий легко провозгласить, но рассчитать его очень сложно. Заявить, что риск скорректированного коэффициента ROI для любой новой технологии должен превосходить соответствующий риск для кремниевых технологий, значит провозгласить тривиальную истину, но, как предостерегает Херб Кремер, лауреат Нобелевской премии по физике за 2000 год, достаточно продвинутые технологии сами создадут для себя сферы приложения. Чтобы оценить общую отдачу для развивающейся технологии, надо не только принимать в расчет существующие сегодня рынки, но и прогнозировать возникновение будущих рынков — а это задача весьма непростая.

Технологические критерии

Остальные критерии являются техническими по самой своей природе. При включении любой альтернативной технологии в процесс серийного производства такие проблемы, как КМОП-совместимость и энергетическая эффективность всегда выходят на первый план. Другие важнейшие технологические аспекты — масштабируемость, производительность, совместимость по архитектуре, чувствительность к изменениям параметров, возможность функционирования при комнатных температурах и надежность.

Перспективы

Типологически грядущие открытия, которые мы должны учитывать в нашем движении вперед, тесно связаны с работой, проделанной в 40-х и 50-х годах. Будущие прорывы должны произойти в трех следующих областях:

  • монолитную зонную структуру твердых тел должны заменить зависимые от геометрии энергетические наноструктуры, что потребует анализа их стабильности;
  • процессы, протекающие в относительно больших объемах веществ, нужно заменить точными манипуляциями и внедрением отдельных атомов;
  • выращивание кристаллов, еще один процесс, требующий большого количества вещества, необходимо заменить процессом самоорганизации и самосборкой сложных структур.

Одна из проблем, которые возникают в процессе перехода к нанотехнологиям, — это проблема интеграции твердых материалов, имеющих весьма четкую и хорошо определенную структуру с мягкими и вязкими материалами, которые предполагают значительную отказоустойчивость и могут иметь самые разные функциональные возможности.

Имеются достаточные основания полагать, что миниатюризация КМОП-устройств будет продолжаться в течение последующих 12-15 лет. Дальнейшие перспективы видится лишь в общих чертах, но ясно, что мы станем свидетелями появления новых технологий; примерно к 2015 году они будут интегрированы с КМОП. Сначала эти решения будут предназначены для удовлетворения конкретных потребностей. Однако можно надеяться, что они укажут дорогу к радикально новым масштабируемым технологиям, которые будут служить человеку до середины нынешнего века.

Но чтобы эти прогнозы оправдались, требуется активная работа исследователей нанопроцессов, что и сделает возможным применение новых технологий.

Литература
  1. International Sematech, The International Technology Roadmap for Semiconductors, 2001 Edition, 2001.
  2. V.V. Zhirnov et al., "Limits to Binary Logic Switch Scaling-A Gedanken Model". Proc. IEEE, Sept. 2003.
  3. A. Javey et al., "High-k Dielectrics for Advanced Carbon- Nanotube Transistors and Logic Gates," Nature Materials; http://www.lassp.cornell.edu/lassp_data/ mceuen/homepage/nmat7691.pdf.
  4. Y. Cul, C.M. Lieber, "Functional Nanoscale Electronic Devices Assembled Using Silicon Nanowire Building Blocks", Science, Feb. 2001.
  5. A. DeHon, "Array-Based Architecture for FET-Based Nanoscale Electronics", IEEE Trans. Nanotechnology, Mar. 2003.
  6. Y. Huang et al, "Logic Gates and Computation from Assembled Nanowire Building Blocks", Science, vol. 294, Nov. 2001.
  7. N.J. Stone, H. Ahmed, "Silicon Single Electron Memory Cell", Applied Physics Letters, Oct. 1998.
  8. H. Mizuta et al., "Nanoscale Coulomb Blockade Memory and Logic Devices", Nanotechnology, vol. 12, 2001.
  9. M.A. Reed et al., "Molecular Random Access Memory Cell", Applied Physics Letters, vol. 78, 2001.
  10. H.W. Jiang, E. Yablonovitch, "Gate-Controlled Electron Spin Resonance in GaAs/AlxGa1-xAs Heterostructures", Physical Rev. B, July 2001, vol. 64, no. 4.
  11. J.A. Davis et al., "Interconnect Limits on Gigascale Integration (GSI) in the 21st Century", Proc. IEEE, vol. 89, 2001.
  12. K. Banerjee et al., "3-D ICs: A Novel Chip Design for Improving Deep-Submicrometer Interconnect Performance and Systems-on-Chip Integration", Proc. IEEE, vol. 89, 2001.
  13. W. Porod et al., "Quantum-Dot Cellular Automata: Computing with Coupled Quantum Dots", Int'l J. Electronics, vol. 86, 1999.
  14. L. Bonci, G. Iannaccone, M. Macucci, "Performance Assessment of Adiabatic Quantum Cellular Automata", J. Applied Physics, vol. 89, 2001.
  15. K. Nikolic, D. Berzon, M. Forshaw, "Relative Performance of Three Nanoscale Devices-CMOS, RTDs and QCAs-against a Standard Computing Task", Nanotechnology, vol. 12, 2001.
  16. J.R. Heath et al., "A Defect-Tolerant Computer Architecture: Opportunities for Nanotechnology", Science, vol. 280, 1998.
  17. T. Yang, R.A. Kiehl, L.O. Chua, "Tunneling Phase Logic Cellular Nonlinear Networks", Int'l J. Bifurcation and Chaos, vol. 11, no. 12, 2001.
  18. B.E. Kane, "A Silicon-Based Nuclear Spin Quantum Computer", Nature, vol. 393, 1998.
  19. M. Steffen, L.M.K. Vandersypen, I.L. Chuang, "Toward Quantum Computation: A Five-Qubit Quantum Processor", IEEE Micro, vol. 21, no. 2, 2001.
  20. S. Takeuchi, "Experimental Demonstration of a Three-Qubit Quantum Computation Algorithm Using a Single Photon and Linear Optics", Physical Rev. A, vol. 62, no. 3, 2000.
  21. P. Grangier, G. Reymond, N. Schlosser, "Implementations of Quantum Computing Using Cavity Quantum Electrodynamics", Progress of Physics, vol. 48, 2000.
  22. C. Monroe et al., "Demonstration of a Fundamental Quantum Logic Gate", Physics Rev. Letters, vol. 75, 1995.
  23. G.J. Milburn, "Quantum Computing Using a Neutral Atom Optical Lattice: An Appraisal", Progress of Physics, vol. 48, 2000.
  24. D.V. Averin, "Quantum Computation and Quantum Coherence in Mesoscopic Josephson Junctions", J. Low Temperature Physics, vol. 118, 2000.
  25. P.W. Shor, "Algorithms for Quantum Computation: Discrete Logarithms and Factoring", Proc. 35th Ann. Symp. Foundations of Computer Science, IEEE CS Press, 1994.
  26. C.P. Williams, S.H. Clearwater, Explorations in Quantum Computing, Springer-Verlag, 1998.

Джордж Бурьянофф (george.i.bourianoff@intel.com) — старший менеджер группы стратегических исследований Intel Strategic Research Group. В сфере его научных интересов — квантовая вычислительная техника и оптоэлектроника.

George Bourianoff, The Future of Nanocomputing. IEEE Computer, August 2003. IEEE Computer Society, 2003, All rights reserved. Reprinted with permission.