NFL - nowy pomysł na układy scalone

Obowiązujące od ponad 40 lat prawo przewiduje, że co 18 miesięcy liczba tranzystorów w układzie zwiększa się dwukrotnie. Obecnie już wiadomo, że wykorzystując współczesną technologię CMOS za kilka lat będziemy mieli poważne problemy z zachowaniem Prawa Moore'a.

Dlatego też De Los Santos opracował koncepcję nazwaną nano-electron-fluidic logic (NFL), która zakłada wykorzystanie przepływu plazmonów w podobnym cieczy gazie elektronów. Uczony przewiduje, że takie rozwiązanie pozwoli na przełączanie bramek w ciągu femtosekund przy rozpraszaniu energii mniejszym niż femtodżul.

Naukowiec wyjaśnia, że jego teoria korzysta z właściwości fali plazmonów powierzchniowych (SPW). Poruszają się one wzdłuż powierzchni styku dwóch materiałów, których stałe dielektryczne mają przeciwne znaki. Mogą więc poruszać się w układzie scalonym zbudowanym z materiałów o różnych właściwościach. Koncepcja De Los Santosa zakłada uruchomienie jednak SPW, a zaraz później innej SPW, która znajdzie się na kolizyjnym kursie do pierwszej fali. Po kolizji fale rozproszą się w jednym z dwóch możliwych kierunków. Ich obecność będzie interpretowana jako "1", ich brak jako "0".

Proces obliczeniowy rozpoczyna się zatem od SPW1 poruszającej się w elektronowym gazie wzdłuż kanału, który na końcu się rozdwaja. Obie jego odnogi są wyposażone w odpowiednie czujniki. Z obu boków do kanału, jeszcze przed miejscem, w którym się on rozdwaja, dochodzą dwa dodatkowe kanały. Każdym z nich możemy puścić dodatkową SPW2, która zderzy się z SPW1. Gdy np. puścimy ją z prawej strony to SPW1 trafi do lewego rozgałęzienia, gdzie jej obecność zostanie uznana za "1".

Koncepcja De Los Santosa nie wykorzystuje zatem, jak ma to miejsce w technologii CMOS, przepływu cząstek, ale przepływ fali. Cząstki, podobnie jak wtedy, gdy wrzucimy kamień do wody, pozostają w tym samym miejscu, poruszając się tylko w górę i w dół. Tym samym rozprzestrzenianie się fali zakłócenia nie wymaga przenoszenia masy. Dzięki temu przesuwają się szybciej niż elektrony - mówi De Los Santos.

W technologii CMOS poruszające się elektrony wchodzą w interakcje z zanieczyszczeniami w materiale, z którego zbudowany jest układ scalony i z samym materiałem, co ogranicza ich prędkość oraz zwiększa wydzielanie ciepła. NFL jest pozbawiona tych wad.

Kluczem do sukcesu NFL jest zoptymalizowanie odpowiedniej "gęstości" układu scalonego. SPW z czasem zanikają, a więc odległość, którą mają przebyć musi być tak dobrana, by fala dotarła do wyznaczonego celu. W przeciwnym razie zaniknie i nie dojdzie do wykonania żadnej operacji logicznej. Odległość nie może być też zbyt mała, gdyż fala dotrze do celu, odbije się, powróci do punktu wyjścia i ponownie się odbije wywołując rezonans w wykrywających ją czujnikach. Należy więc dobrać taki rozmiar kanałów, którymi będą poruszały się SPW, by fala nie zaniknęła przed ich końcem i by po odbiciu się nie dotarła do punktu wyjścia.

De Los Santos przewiduje, że największa gęstość urządzenia będzie równa wielkości najmniejszego możliwego plazmonu, którym jest układ dwóch różnoimiennych ładunków (dipol). Jako że najmniejszym dipolem jest atom, oznacza to, że NFL może teoretycznie wykonywać działania logiczne na powierzchni czterokrotnie mniejszej niż CMOS.

Kolejną zaletą wykorzystania fali plazmonów powierzchniowych jest ich olbrzymia prędkość wynosząca miliard centymetrów na sekundę. To oznacza, że układy scalone wykorzystujące SPW mogłyby pracować w temperaturze pokojowej z prędkością nawet 6 THz. Co więcej, operacje odbywałyby się przy zużyciu minimalnej ilości energii. Do wzbudzenia SPW wystarczy bowiem prąd stały o natężeniu większym od zera. Podtrzymanie istnienia elektronowego gazu wymaga użycia tak małych ilości energii, że są to wartości pomijalne. Innymi słowy, do pracy układu wykorzystującego NFL wystarczy minimalna wykrywalna ilość energii.

Jakby tego jeszcze było mało, koncepcja NFL jest kompatybilna z obecnie używanymi procesami litograficznymi. Do produkcji nowego typu układów można wykorzystać zatem już istniejące urządzenia i można łączyć NFL z CMOS.

Mariusz Błoński