View
10
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Лекция 2
Влияние физических идей на
развитие новых компьютерных
технологий
11.11.2019 Программирование и информатика: Лекция 2 2
План лекции
Транзистор и логический элемент на его основе
32 нм технологический процесс изготовления микросхем и физические идеи в его основе
Устройства хранения информации
Магнитная память
Память на атомных структурах
Голографическая память
Квантовые компьютеры
11.11.2019 Программирование и информатика: Лекция 2 3
Поколения ЭВМ
1 Электронные
лампы
1945-55
2 Транзисторы
(п/п триоды)
1955-65
3 Интегральные
схемы (ИС)
1965-70
4 БИС 1970-1980
5 СБИС + новые
технологии
1980-…
11.11.2019 Программирование и информатика: Лекция 2 4
Полупроводники. p-n переход
Область нейтрального
заряда
Область нейтрального
заряда
Есть простран-
ственный заряд
Ко
нц
ентр
аци
я н
оси
телей
11.11.2019 Программирование и информатика: Лекция 2 5
Биполярный транзистор
В 1947 году Уильям
Шокли, Джон Бардин и
Уолтер Браттейн в
лабораториях Bell Labs
впервые создали
действующий
биполярный транзистор.
11.11.2019 6
Первый биполярный транзистор
Программирование и информатика: Лекция 2
11.11.2019 Программирование и информатика: Лекция 2 7
Полевой транзистор
В 1934 году Оскар Хейл - патент на полевой
транзистор. Впервые изготовлен в 1960 г.
p++ p++
МОП - структура
p-типа
-
+
11.11.2019 Программирование и информатика: Лекция 2 8
Полевой транзистор
n++ n++
МОП - структура
n-типа
L
-
+
d
d/L~1/45
11.11.2019 9
Затвор как плоский конденсатор
d
SC 0
9,3
Сочетание high-k-
диэлектрика (оксид гафния)
и нового металлического
затвора из силицида
никеля, позволяет более
чем в 10 тыс. раз по
сравнению с диоксидом
кремния снизить токи
утечки
45-нм технологический процесс
Q = CU
Программирование и информатика: Лекция 2
11.11.2019 10
Логический элемент на базе КМОП-структур: инвертор
0 1
Программирование и информатика: Лекция 2
- 5 В
11.11.2019 11
Логический элемент на базе КМОП-структур: инвертор
1 0
Программирование и информатика: Лекция 2
- 5 В
11.11.2019 12
Логический элемент на базе КМОП-структур: инвертор
Переходной
процесс
Программирование и информатика: Лекция 2
- 5 В
11.11.2019 Компьютерная физика: Лекция 2 13
От песка к кремнию: производство микросхемпо 32-нм технологическому процессу
Кремний для электронных устройств может
содержать не более одного постороннего атома на
миллиард атомов кремния.
11.11.2019 14
Болванка (~100 кг) разрезается на кристаллические пластины
30 см
1 мм
Программирование и информатика: Лекция 2
11.11.2019 15
Ионная имплантация примесных атомов
Программирование и информатика: Лекция 2
11.11.2019 16
Изолирующий слой с большой диэлектрической проницаемостью
d
SC 0
p++ p++
Программирование и информатика: Лекция 2
11.11.2019 17
30 см
50-200 нм
deep-ultraviolet, DUV,
длина волны λ = 193 нмNA=nSinθ
Разметка 32-нм областей на фоточувствительном материале с помощью УФ-излучения, прошедшего
маску
Программирование и информатика: Лекция 2
11.11.2019 18
Маски с фазовым сдвигом
Программирование и информатика: Лекция 2
n = 1,4
λn = λ/n
11.11.2019 19
Иммерсионная жидкость
n = 1
n
Программирование и информатика: Лекция 2
Травление незащищенного диэлектрика
11.11.2019 20Программирование и информатика: Лекция 2
11.11.2019 21
Нанесение проводящего слоя гальваническим методом
Раствор сульфата меди
m = kIt
Программирование и информатика: Лекция 2
11.11.2019 22
Многослойные проводящие «дорожки» в соответствие с топологией процессора
500 нм – 6 транзисторовполировка
Программирование и информатика: Лекция 2
11.11.2019 23
Индивидуальное тестирование матриц
Программирование и информатика: Лекция 2
11.11.2019 24
Упаковка готового процессора
Индивидуальная матрица Второе поколение процессоров
Intel® Core™ i5
20 мм 10 мм
Программирование и информатика: Лекция 2
11.11.2019 25
Магнитная память
•Увеличение плотности записи
•Уменьшение расстояния от головки
до магнитной среды
Программирование и информатика: Лекция 2
11.11.2019 26
Магнитная память:Закон масштабирования
Source: D.A.Thompson, J.S.Best, IBM J. Res. Develop., Vol. 44, No. 3, May 2000
Уменьшение размера магнитной гранулы в 2 раза приводит к увеличению
плотности записи в 4 раза и к уменьшению объема гранулы в 8 раз.
Физические пределы:
Суперпарамагнитный предел – TB/in2
Расстояние от головки считывания до магнитного слоя – 2 нм
Энергетические ограничения и др.
L
L s
.Shrink everything, inc luding tolerances, by scale fac tor s (Requires improved processes).Recording system operates at higher areal density (1/s)2 (Requires improved disk, head, and electronics materia ls and designs).Signal-to-noise ratio decreases
Программирование и информатика: Лекция 2
11.11.2019 27
Магнитная память на базе макро-и одиночных гранул
«Плохие» гранулы IBM: магнитно-компенсированные пленки
2001, 2004 гг. ~ 8 раз.
Программирование и информатика: Лекция 2
11.11.2019 28
Магнитная память: продольная и вертикальная запись
N N N N N N SSSSS
Track widthShield
Read element
MR or GMR
sensor
Read current Write current
Magnetization Inductive write
element
Recording
medium
N SS
Track widthShield
Read element
GMR sensor
Read current
Write current
Perpendicular
magnetizationInductive write
element
Recording
medium
Соседние биты «1» и «0» не направлены друг на друга одноименными полюсами,
которые отталкиваются, - это позволяет уменьшить размер междоменного пространства.
За счет глубины меньше поперечный размер гранулы.
Программирование и информатика: Лекция 2
11.11.2019 29
Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ)
STM/STS image
Программирование и информатика: Лекция 2
11.11.2019 30
Память на атомных структурах
Фотография микросхемы (14x7 mm), содержащей
массив 32x32 головок СТМ для записи/чтения
информации на атомных структурах.
Source: P. Vettiger et. al, IBM J. Res. Develop., Vol. 44, No. 3, May 2000
Программирование и информатика: Лекция 2
11.11.2019 31
Детали предыдущей микросхемы, полученные с помощью
сканирующей электронной микроскопии
Память на атомных структурах
Программирование и информатика: Лекция 2
11.11.2019 32
Память на атомных структурах
Прототип жесткого диска, базирующегося на технологии Millipede (IBM)
Программирование и информатика: Лекция 2
11.11.2019 33
Голографическая запись информации
фоточувствительный
материал
голограмма
Теоретический предел: ~1014-1015 бит/см3
объектная
волна
плоская опорная
волна
Программирование и информатика: Лекция 2
11.11.2019 34
Чтение информации, записанной на голограмме
опорная
волна
реконструированная
объектная волна
Программирование и информатика: Лекция 2
11.11.2019 35
Принцип работы голографической памяти
Матричный ввод/вывод данных
Ассоциативный поиск информации!
Source: D.A.Thompson, J.S.Best, IBM J. Res. Develop., Vol. 44, No. 3, May 2000
Программирование и информатика: Лекция 2
11.11.2019 36
Компьютеры как физические системы
Так как скорость
распространения сигнала
конечна, необходимо
сближать компоненты
друг к другу.
Следовательно они
должны быть меньше.
Предел: размер атома
Тот факт, что настоящий компьютер это физическая система заставляет нас
думать о пространстве и времени в попытках сделать его быстрее
“…it seems that the laws of physics
present no barrier to reducing the size of
computers until bits are the size of
atoms, and quantum behavior holds
dominant way.”
*) R.P.Feynman, “Quantum mechanical computers,”
Optics News, vol. 11, pp. 11-20 (1985).
Программирование и информатика: Лекция 2
11.11.2019 Компьютерная физика: Лекция 2 37
Биты и кубиты
Классический бит Квантовый бит (кубит*)
Имеет два состояния
“0” и “1” = a0 + b1
Имеет два «классических» состояния:
“0”: 0 = 10 + 01 = 0
“1”: 1 = 00 + 11 = 1
и бесконечное число “промежуточных”
*)Термин введен Шумахером (Phys. Rev. A51, 2738 (1995)
Кубиты могут быть связаны (перепутаны) друг с другом так, что при любом
изменении одного из нескольких кубитов остальные меняются согласованно с ним.
Совокупность запутанных между собой кубитов может интерпретироваться как
заполненный квантовый регистр. Как и отдельный кубит, квантовый регистр гораздо
более информативнее классического регистра битов. Он может не только находиться
во всевозможных комбинациях составляющих его битов, но и реализовывать
зависимости между ними.
При любом измерении состояния кубита он случайно переходит в одно из своих
собственных состояний. Вероятности перехода в эти состояния равны соответственно
a и b. По наблюдениям за множеством кубитов можно судить об исходном состоянии.
11.11.2019 38
Быстрее ли квантовые компьютеры классических?
Криптография
Алгоритм Шора (1994)
факторизует число (в виде
простых сомножителей) из N
цифр за время порядка N3.
Любой алгоритм на
классическом компьютере
требует времени, которое растет
быстрее, чем любая степень N.
Поиск в
неупорядоченной
базе данных
В базе данных, содержащей N
записей, нужная запись может
быть обнаружена с помощью
алгоритма Гровера (1996) за
время порядка N1/2
.
Поиск в базе данных потребует
время порядка N.
Моделирование
квантовых систем
Квантовое устройство может
сохранять квантовую
информацию гораздо более
эффективно, чем любое
классическое (Feynman, 1982).
N кубитов «живут» в
Гильбертовом пространстве
размерности 2N и операции с
ними могут выполняться в
высокой степени параллельно.
Классический компьютер
потребует 2N–1 комплексных
чисел для описания N кубитов.
Операции с ними потребуют
экспоненциального роста
ресурсов.
С использованием квантово-криптографических
систем закрытая информация может быть передана
гарантированно секретно на любые расстояния.
Широкое применение квантовых криптосистем
ожидается в ближайшее время, начиная с
правительственных учреждений и банков.
Канадская компания D-Wave Systems
(www.dwavesys.com) создала в 2017г.
коммерческий квантовый компьютер на 2000-
кубитовом чипе стоимостью около $15 000 000
Программирование и информатика: Лекция 2
11.11.2019 39
Особые условия функционирования квантовых компьютеров
Программирование и информатика: Лекция 2
D-Wave Systems во вторник объявила о своем пятом
поколении квантовых компьютеров - 5,000-кубитной
системе. Новый квантовый компьютер, названный
Advantage, будет доступен для продажи и в облачном
сервисе Leap D-Wave в середине 2020 года.
11.11.2019 40
5-ое поколение квантовых компьютеров
Программирование и информатика: Лекция 2
D-Wave Systems во вторник объявила о своем пятом
поколении квантовых компьютеров - 5,000-кубитной
системе. Новый квантовый компьютер, названный
Advantage, будет доступен для продажи и в облачном
сервисе Leap D-Wave в середине 2020 года.
11.11.2019 41Программирование и информатика: Лекция 2
Литература по лекционному материалу
1. www.intel.com/pressroom/kits/chipmaking/
2. D.A.Thompson, J.S.Best, IBM J. Res. Develop., Vol. 44, No. 3, May 2000
3. В.И. Емельянов, Ю.В. Владимирова. Квантовая физика. Биты и
кубиты. (Москва, Физический факультет МГУ, 2012, 180 с.)
Recommended