6. Синергетика

Слово синергетика переводится как «энергия совместного действия» (от греческого: со – совместно, эргос – действие).

Синергетика представляет собой новую обобщающую науку, изучающую основные законы самоорганизации сложных систем. (математические модели явлений самоорганизации). Ее составными частями являются такие понятия и предметные области как нелинейная динамика, хаос, фракталы, катастрофы, бифуркации и т.п.

Растущая в наши дни популярность синергетики объясняется тем, что она становится языком междисциплинарного общения, на котором могут друг друга понимать специалисты по математике, физике, химии, биологии, психологии.

Значения термина синергетика.

Во-первых, буквальный. Речь идет о явлениях, которые возникают от совместного действия нескольких разных факторов, в то время как каждый фактор в отдельности к этому явлению не приводит.

Во-вторых, синергетику часто определяют как науку о самоорганизации. Под самоорганизацией понимают самопроизвольное усложнение структуры системы при медленном и плавном изменении ее параметров. При этом самопроизвольно возникающие образования называют диссипативными структурами.

Можно дать третье определение: синергетика – наука о неожиданных явлениях. Это определение не противоречит, а дополняет предыдущие. Действительно, при медленном плавном и монотонном изменении параметров в системе в некоторый момент «вдруг» появляются автоколебания. Причина – потеря устойчивости.

Анализ причин и законов самоорганизации и составляет предмет синергетики.

Одной из практических задач синергетики является использование в искусственных системах, создаваемых человеком, явлений самоорганизации, имеющихся в биологических системах.

Основой синергетики является теория динамических систем.

Синергетика опирается на методы, одинаково приложимые к различным предметным областям, и изучает сложные («многокомпонентные») системы безотносительно к их природе. Синергетика обращает внимание на то, что при традиционном подходе остается за рамками рассмотрения.

Важная особенность синергетических систем состоит в том, что ими можно управлять извне, изменяя действующие на системы факторы. Например, скорость роста клеток можно регулировать извне, обрабатывая клетки различными химическими веществами. Параметры, описывающие действующие на систему факторы, называются управляющими.

Временнaя эволюция синергетических систем зависит от причин, которые не могут быть предсказаны с абсолютной точностью. Непредсказуемость поведения синергетических систем связана не только с неполнотой информации о состоянии их многочисленных подсистем и неизбежными квантовыми флуктуациями, но и тем, что эволюция некоторых систем очень чувствительна к начальным условиям. Даже небольшое различие в начальных условиях в корне изменяет последующую эволюцию системы. Непредсказуемость эволюции синергетических систем получила название стохастичности.

7. Наноэлектроника

Наноэлектроника — область электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания интегральных электронных схем с характерными топологическими размерами элементов менее 100 нанометров.

Термин «наноэлектроника» логически связан с термином «микроэлектроника» и отражает переход современной полупроводниковой электроники от элементов с характерным размером в микронной и субмикронной области к элементам с размером в нанометровой области. Этот процесс развития технологии отражает эмпирический закон Мура, который гласит, что количество транзисторов на кристалле удваивается каждые полтора-два года.

Однако принципиально новая особенность наноэлектроники связана с тем, что для элементов таких размеров начинают преобладать квантовые эффекты. Появляется новая номенклатура свойств, открываются новые заманчивые перспективы их использования. Если при переходе от микро- к наноэлектронике квантовые эффекты во многом являются паразитными, (например, работе классического транзистора при уменьшении размеров начинает мешать туннелирование носителей заряда), то электроника, использующая квантовые эффекты, — это уже основа новой, так называемой наногетероструктурной электроники.

Спроектированный в Intel по 45-нм нормам транзистор примерно на 20% опережает своего 65-нм собрата по скоростным характеристикам и оказывается примерно на 30 % экономичнее с точки зрения затрат энергии на переключение.

22-нм процессоры Intel используют транзисторы с вертикально (рис. 4.1) расположенным затвором FinFET (Fin Field Effect Transistor, также известные как 3D-транзисторы и «транзисторы с трёхмерной структурой затвора»). Согласно оценкам компании производительность 22-нм Tri-Gate транзисторов на 37 % выше производительности планарных 32-нм структур. При этом энергопотребление у новинок до 50 % меньше.

Обновленная версия транзистора отличается использованием затвора в виде тонкой трехмерной кремниевой пластины, установленной перпендикулярно кремниевому субстрату. Прохождение тока в этом случае контролируется тремя затворами, расположенными на гранях пластины. Такое усовершенствование при минимальных геометрических размерах транзисторов обеспечивает максимальную величину тока во включенном состоянии и приближенную к нулю – в выключенном. В результате не только ускоряется переключение, но и уменьшаются паразитные утечки, снижается напряжение питания и, как следствие, энергопотребление и нагрев чипа. Кроме того появляется возможность увеличить (рис. 4.2) плотность компоновки транзисторов, что позволяет нарастить их число для создания более сложных интегральных схем, при этом не увеличивая площадь самого кристалла. Примечательно, что при успешном внедрении 3D-транзисторов, стоимость производства чипов увеличивается всего на 2–3 %, при этом получаемый эффект несоизмерим с такими затратами.

Близок рубеж, за которым кремниевая технология не сможет обеспечить прогресс в быстродействии обработки и плотности хранения информации. Действительно, размер атома имеет порядок десятых долей нм, а принципы работы кремниевых транзисторов рассчитаны на структуры, как минимум, в несколько атомных слоев. Поэтому сегодняшние проектные нормы в 22 нм близки к этому рубежу.

Среди традиционных подходов можно назвать создание китайским ученым Вэйсяо Хуан (Weixiao Huang) первого в мире транзистора на основе нитрида галлия GaN. По своим характеристикам транзистор значительно превосходит используемые сегодня кремниевые аналоги и может работать в самых экстремальных условиях. Разработанная Хуаном технология позволяет интегрировать на один чип несколько функций, что невозможно осуществить, используя кремний. Поэтому переход с кремниевых транзисторов на GaN-транзисторы мог бы позволить значительно упростить электронные схемы. Кроме того, замена кремниевых транзисторов на аналогичные, но выполненные на основе нитрида галлия, позволит существенно уменьшить энергопотребление.

Особо интенсивный поиск «наследника кремния» ведётся среди наноструктур на основе углерода: фуллерены, углеродные нанотрубки, наноспирали, нанопровода, графеновые пленки и прочие.

8. Фуллерены и нанотрубки

Фуллерен – молекула, состоящая из атомов углерода, расположенных в вершинах правильных шести- и пятиугольников (рис. 4.4), образующих каркасную форму в виде замкнутой полой сферической или эллипсоидной оболочки. Молекулы фуллеренов могут содержать 28, 32, 50, 60, 70, 76 и т.д. атомов углерода. Самый известный из фуллеренов – это так называемый фуллерен C₆₀. Этот фуллерен, обладает максимальной стабильностью. Атомы углерода в нем располагаются на сферической поверхности в вершинах 20 правильных шестиугольников и 12 правильных пятиугольников; каждый шестиугольник имеет три общие стороны с другими шестиугольниками и три общие стороны с пятиугольниками, то есть все пятиугольники граничат только с шестиугольниками.

Рис. 4.4. Сферическая структура фуллерена С₆₀

Именно с фуллерена С₆₀, открытого в 1985 году, началась целая эпоха развития этих удивительных по своим свойствам каркасных структур. Фуллерены были названы по имени американского архитектора Бакминстера Фуллера (Buckminster Fuller), который при конструировании куполов зданий применял структуры, подобные фуллеренам.

В конце 80-х – начале 90-х годов фуллерены научились получать в макроскопических количествах, а в 1991 году неожиданно были открыты новые фуллерены, напоминающие длинные цилиндрические каркасные формы – они называются нанотрубки.

Углеродная нанотрубка – цилиндрическая молекула, состоящая из атомов углерода, имеющая форму цилиндра диаметром около 1 нм и длину от одного до сотен мкм (рис. 4.5), внешне выглядит как свернутая в цилиндр графитовая плоскость. Цилиндр оканчивается молекулой фуллерена.Впервые обнаружена Сумио Ииджимой (корпорация NEC) в 1991 г. как побочный продукт синтеза фуллерена С₆₀.

Нанотрубки бывают однослойными и многослойными. Последние представляют собой несколько однослойных нанотрубок, вложенных одна в другую. Основная классификация нанотрубок проводится по способу сворачивания графитовой плоскости. Различают прямые (ахиральные) нанотрубки и спиральные (хиральные) нанотрубки.

Нанотрубки обладают уникальными электрическими, магнитными и оптическими свойствами. Они могут быть как проводниками, так и полупроводниками. Нанотрубки на порядок прочнее стали. Получают нанотрубки путем термического распыления графитовых электродов в плазме дугового разряда. В результате такой обработки получается достаточно легкий и пористый материал, состоящий из многослойных нанотрубок со средним диаметром 20 нм и длиной около 10 мкм. Изготовление нанотрубок обходится дорого — один грамм стоит несколько сотен долларов США.

На основе нанотрубок создаются новые сверхпрочные и сверхлегкие композиционные материалы. Нанотрубки используются в качестве иглы для сканирующего туннельного и атомного силового микроскопа, а также для создания полупроводниковых гетероструктур. Разрабатываются технологии применения нанотрубок в биомедицине и криминалистике.

Нанотрубки находят все большее применение в микроэлектронике, они используются для создания диодов и полевых транзисторов.

Например, изогнутая нанотрубка по свойствам проводимости адекватна диоду. В полевых транзисторах роль канала выполняет нанотрубка. Созданы и опробованы прототипы тонких плоских дисплеев, работающих на матрице из нанотрубок.

Другое применение нанотрубок – это создание энергонезависимой оперативной памяти NRAM (Nonvolatile Random Access Memory).

9. Графеновый транзистор

Графеновый полевой транзистор — транзистор из графена, который использует электрическое поле, создаваемоезатвором для управления проводимостью канала. На сегодняшний момент не существует промышленного способа получения графена, но предполагается, что его хорошая проводимость поможет создать транзисторы с высокойподвижностью носителей и по этому показателю превзойти подвижность в полевых транзисторах на основекремниевой технологии

Графен – это пленка углерода толщиной в один атом, имеющая строго упорядоченную гексагональную кристаллическую структуру (рис. 4.3). Графен можно считать развернутой в плоскость одностенной нанотрубкой, или двумерным фуллереном, или же отдельно взятым атомарным слоем из множества таких слоев, составляющих кристалл графита.

Графен обладает уникальными электрическими, оптическими, механическими и тепловыми свойствами, отличается высокой тепло- и электропроводностью. Подвижность электронов в графене в 10–20 раз выше, чем в арсениде галлия, что позволяет рассчитывать на получение приборов, работающих на частотах вплоть до 100 ГГц и выше. Графен, в отличие от нанотрубок, приспособлен для применения в обычной планарной технологии.

Различные элементы и межсоединения БИС могут быть получены в одном графеновом слое. В графеновом транзисторе используется металлический затвор и изолирующий слой, состоящий из полимера и оксида с высокой диэлектрической проницаемостью.

Электроны в графене перемещаются гораздо быстрее, чем в кремнии и благодаря этому можно свести токи утечки к минимуму, которые и ограничивают уменьшение энергозатрат процессорами.

10. Стратегия Intel

Стратегия развития Intel заключается во внедрении новых микроархитектур процессоров, основанных на новых поколениях полупроводниковой производственной технологии. Темпы выпуска инновационных микроархитектур и полупроводниковых технологий основаны на принципе, который корпорация Intel называет моделью «TICK-TOCK» («ТИК-ТАК»). Каждый «TICK» обозначает (табл. 5.1) новый этап развития полупроводниковых технологий (техпроцесс – 65 нм, 45 нм, 32 нм), а каждый «ТОСК» - создание новой микроархитектуры (Intel Core, Nechalem, Sandy Bridge). Переход на новый техпроцесс сопровождается выпуском соответствующих семейств процессоров (Penryn, Westmere).

Табл. 5.1

Табл. 5.1

Intel Core NEW Microarchitecture	Penryn NEW Process	Nehalem NEW Microarchitecture	Westmere NEW Process	Sandy Bridge NEW Microarchitecture	Ivy Bridge NEW Process
65 nm	45 nm	45 nm	32 nm	32 nm	22 nm
2006 г.	2007 г.	2008 г.	2009 г.	2010 г.	2011 г.
TOCK	TICK	TOCK	TICK	TOCK	TICK

Этот цикл, как правило, повторяется каждые 2 года. Новаторская микроархитектура «обкатывается» на текущем производственном процессе, затем переносится на новую производственную технологию. Данная модель развития позволяет осуществлять внедрение единообразной процессорной микроархитектуры во всех сегментах рынка. Стратегия развития архитектуры и полупроводниковой технологии, реализуемая корпорацией Intel, не только позволяет выпускать новые решения в соответствии с запланированными темпами, но и способствует внедрению инновационных решений в отрасли на уровне платформ, расширяя использование преимуществ высокой производительности и энергоэкономичности.

После семейства процессоров Ivy Bridge появится совершенно новая (как утверждают в Intel) процессорная микроархитектура Haswell.