Энергия - ключ к микроэлектронике будущего

Просматривая свежие научные и инженерные журналы, посвященные проектированию современных сверхбыстрых полупроводниковых СБИС и базирующихся на них устройств (например, микропроцессоров либо телекоммуникационных комутаторов), подкованный читатель рано или поздно приходит к простому выводу: одним из первостепеннейших факторов, ограничивающих их быстродействие, является непропорциональное и без того высокой и продолжающей расти степени интеграции активных элементов (транзисторов) энерговыделение. В качестве иллюстрации приведу следующий пример. Базовым элементом телекоммуникационных коммутаторов для сетей асинхронного режима передачи (ATM) является коммутатор цифровых последовательных каналов с двумя входами и двумя выходами. Изготовленный с использованием технологии GaAs, такой коммутатор потребляет 10 ватт на частоте 10 гигагерц. Нетрудно подсчитать, что для коммутации, скажем, 1024 каналов с достаточно скромной суммарной пропускной способностью в 1 терабайт в секунду потребуется мощность 500 киловатт. Кроме того, тактовая частота в 10 гигагерц, вероятно, является предельной для современных полупроводниковых технологий, будь то GaAs, InP либо SiGe.

Ситуация с оптическими устройствами, с одной стороны, более благоприятная, а с другой - еще более удручающая. Благоприятная, поскольку простые оптические компоненты (мультиплексоры, демультиплексоры и т.п.) могут работать на тактовых частотах 40 гигагерц и более. Удручающая - потому что по части энерговыделения даже самые прожорливые полупроводники на базе арсенида галлия не идут ни в какое сравнение с многоцветными лазерами. Нелишне подчеркнуть, что примитивная схемотехника оптических систем все еще оставляет желать лучшего, делая их малопригодными для реализации вычислительных машин общего назначения.

Элегантной и экономичной альтернативой энергоненасытным оптическим компонентам и экзотическим полупроводникам является гораздо менее известная сверхпроводниковая быстрая одноквантовая логика (БОКЛ) - элементная база петафлопного суперкомпьютера XXI века. О привлекательности БОКЛ говорит, например, такой факт: рекордная экспериментально измеренная тактовая частота сверхпроводникового Т-тригера, разработанного в Университете штата Нью-Йорк в США, составляет 750 гигагерц при потребляемой мощности всего в 0,1 микроватта!

Незаслуженно забытая ныне на просторах бывшего СССР, БОКЛ (английское название - Rapid Single Flux Quantum logic, RSFQ) была открыта и детально разработана в начале 80-х годов тогда еще советскими физиками Константином Лихаревым, Василием Семеновым и Олегом Мухановым, бывшими соответственно профессором и аспирантами физического факультета Московского Государственного Университета им. Ломонсова (МГУ), а также сотрудниками и студентами их лаборатории. Технологической базой БОКЛ в СССР служил московский Институт Радиоэлектроники и Автоматики (ИРЭ) Академии Наук (группа под научным руководством Валерия Кошельца).

Физика БОКЛ

Быстрая одноквантовая логика основана на явлении квантизации магнитного потока в сверхпроводниках. Некоторые металлы (в частности, свинец и ниобий), будучи охлажденными до температуры жидкого гелия (4 кельвина, или -269 градусов Цельсия), становятся сверхпроводниками, то есть обретают способность пропускать электрический ток без падения напряжения. В частности, это означает, что ток в сверхпроводниковом кольце будет циркулировать вечно, и это не метафора, а физический факт! Существует лишь один способ "выпустить" ток из кольца (равно как и "впустить" его в кольцо): разрушить сверхпроводимость, подавить ее на время, прорвать "сверхпроводниковую" блокаду.

Второе удивительное свойство сверхпроводникового кольца с током состоит в том, что этот ток не может быть произвольным: поток магнитного поля, создаваемого током в кольце, то есть произведение величины магнитного поля на площадь контура, обязан быть равен целому числу так называемых квантов магнитного потока F₀ (для любопытных - равному 2,06*10^-18 Вб). Другими словами, квант "вошел" в кольцо - и ток увеличился на некую величину, зависящую от геометрических размеров кольца. Квант "вышел" из кольца - и ток уменьшился на ту же самую величину. Любое сверхпроводниковое кольцо может не содержать магнитного поля вообще, содержать один квант, два, три... И даже "минус один" квант! (Поле противоположной полярности.) А вот пол-кванта или полтора - не может!

Устройство, ответственно за проникновение квантов в кольца и обратно, называется джозефсоновским переходом (назван так в честь первооткрывателя соответствующего эффекта, аспиранта Джозефсона, более, увы, ничем не прославившегося) и фактически является аналогом p-n перехода из мира полупроводников. Из двух последовательно включенных джозефсоновских переходов строится компаратор - сверпроводниковый аналог транзистора, из включенных параллельно - интерферометр, элемент, функционально близкий к Д-тригеру.

Джозефсоновский переход технологически представляет из себя тонкую (толщиной в несколько нанометров) пленку изолятора, оксида алюминия Al₂O₃, "закатанную" между двумя слоями сверхпроводящего ниобия. В силу так называемого "эффекта близости" два сверхпроводника "чувствуют" друг друга на небольшом расстоянии, и от одного к другому может течь небольшой электрический сверхток, даже если на пути находится нормальный, не сверхпроводящий, металл или изолятор. Если же величина тока превышает некий предел (называемый критическим током), то все становится на свои места: сверхпроводимость разрушается, ниобий из сверхпроводника становится нормальным металлом и обретает сопротивление.

Базисные элементы

Легко заметить, что если уже упоминавшееся сверхпроводниковое кольцо разрезать, а потом "склеить" тонкой пленкой оксида алюминия, то небольшой текущий по кольцу ток "не заметит" этой операции и продолжит свою пожизненную циркуляцию как ни в чем не бывало. Если же у нас имеется возможность пропустить через разрез дополнительный внешний управляющий ток, то суммарного тока может быть вполне достаточно для подавления сверхпроводимости джозефсоновского перехода (ведь склеенный разрез - это и есть тот самый переход!) Через образовавшуюся резистивную "дыру" кванты магнитного потока могут легко покинуть кольцо либо залезть в него обратно - конкретное поведение зависит от конкретных обстоятельств.

Получившееся устройство - кольцо с джозефсоновским переходом J1 - называется одноконтактным интерферометром и само по себе в БОКЛ не используется. Гораздо более полезное устройство получится, если в кольце сделать еще один разрез - еще один джозефсоновский переход J2. Теперь переход J1, подпитанный небольшим внешним током, можно использовать для "запихивания" квантов в кольцо, а J2 - для "выкачивания" их оттуда (или наоборот). Из-за квантизации магнитного потока величина электрического тока, индуцированного одиночным квантом в кольце, зависит от размеров кольца (точнее, от его индуктивности L) - и только от них: I=2*pi*F₀/L. Получившийся наведенный ток либо превышает критический ток джозефсоновского перехода J2, либо нет. В первом случае двухконтактный интерферометр, или просто интерферометр, не в состоянии удержать квант. Такой интерферометр используется для передачи данных. Несколько интерферометров, соединенных друг с другом так, что переход J2 предыдущего устройства является переходом J1 последующего, называются джозефсоновской линией передач и используются для передачи данных на значительные расстояния, выполняя функцию проводов. Квант магнитного потока распространяется вдоль линии в виде узкого импульса напряжения шириной в несколько пикосекунд. Во втором случае квант "застревает" в кольце. Такой интерферометр используется для хранения данных.

Очевидно, что операции над данными не ограничиваются пересылкой и хранением. Не менее важной функцией является обработка данных, то есть принятие решений. Принятие решений осуществляется в кольце с двумя включенными последовательно джозефсоновскими переходами - в компараторе (эти переходы, как правило, обладают разными критическими токами). Предоставленный самому себе квант магнитного потока попытается выйти из сверхпроводящего кольца через "разрез" с меньшим критическим током. Однако ситуацию можно изменить, если уменьшить эффективный критический ток большего перехода, пропустив через него дополнительный внешний (управляющий) ток. Управляющий ток может, в свою очередь, создаваться другим квантом потока в другом интерферометре. Таким образом, наличие/отсутствие кванта в интерферометре влияет на маршрут распространения другого кванта. Получившийся гибрид интерферометра и компаратора, содержащий три джозефсоновских перехода, образует Д-тригер - однобитную ячейку памяти с разрушающим считыванием.

Логика и память - близнецы-братья

Используя описанные выше приемы, легко построить более изощренные схемотехнические элементы: Т- и СР-тригеры, однобитные регистры, ячейки синхронизации, функции И, ИЛИ, исключающее ИЛИ, инверторы и т. п. (полный "бестиарий" БОКЛ содержит несколько десятков разнообразных элементарных ячеек, многие из которых выполняют одну и ту же функцию, но отличаются по дизайну). Возникает законный вопрос: как соотносятся кванты магнитного потока с привычными полупроводниковыми нулями и единицами?

Классичекая БОКЛ придерживается следующего соглашения:

1. существует генератор тактовых импульсов (глобальный или локальный), более или менее регулярно испускающий кванты магнитного потока, тактирующие все элементы схемы,
2. наличие кванта магнитного потока на входе данных некой ячейки между двумя последовательными тактовыми сигналами рассматривается как логическая единица, и
3. отсутствие такового рассматривается как логический ноль.

Альтернативная "традиция" использует так называемый двухрельсовый подход, когда данные представляются в дополнительной форме и передаются по двум параллельным линиям, так что сигнал на одной из линий интерпретируется как логический ноль, а сигнал на второй линии - как логическая единица. Альтернативный (асинхронный) подход удобен тем, что не требует понятия тактирования как такового и поэтому является нечувствительным к нестабильности частоты тактового генератора. К сожалению, двухрельсовые БОК устройства используют в два-три раза больше джозефсоновских переходов и занимают в три-четыре раза больше полезной площади на чипе.

Важно отметить, что поскольку БОКЛ оперирует не стабильными уровнями напряжения, как, скажем, полупроводниковая КМОП-логика, а импульсами, само понятие вентиля как комбинаторной схемы теряет смысл. Действительно, функционирование вентиля основано на том, что в определенный момент времени уровни входных сигналов принимают определенные значения и сохраняют их в течение времени, достаточного для образования устойчивого уровня напряжения на выходе схемы. В применении к импульсам напряжения шириной в 2-3 пикосекунды требование одновременности практически нереализуемо, а понятие стабильности вообще бессмысленно. В БОКЛ одновременность заменяется последовательностью: импульсный сигнал на выходе схемы появляется как следствие определенной последовательности импульсных сигналов на ее входах. Например, последовательность сигнала данных и сигнала такта на входах Д-тригера приводят к сигналу данных на выходе (логическая единица, записанная в тригер и считанная из него), в то время как одиночный тактовый импульс не производит никакого выходного сигнала (то есть производит логический ноль). В этом смысле любая элементарная ячейка БОКЛ, даже выполняющая логическую функцию, является тригером.

Симбиоз логики и памяти в БОКЛ может рассматриваться как достоинство и как недостаток. С одной стороны, исчезает необходимость использования громоздких регистровых "защелок", разделяющих каскады логики в полупроводниковых схемах. С другой стороны, поскольку "защелки" теперь оказываются вставлены перед каждой логической операцией (хотя бы и за бесплатно!), каскадирование логики оказывается в принципе невозможным, и на выполение любой логической операции затрачивается один такт. В приложении к дизайну конвейера микропроцессора это, например, означает, что каждая классическая ступень RISC-конвейера (выборка, декодирование и исполнение команды и запись в регистры) состоит из нескольких более примитивных микроступеней - образуется так называемый ультраконвейер (термин введен М. Дорожевцом, который очень просил не забыть об этом упомянуть). Парадоксальность ситуации заключается еще и в том, что несмотря на наличие памяти в каждой конкретной ячейке, на момент написания этой статьи не существовало рациональной архитектуры БОК-памяти произвольного доступа и общего назначения (RAM), хотя интенсивные работы над нею ведутся уже не первый год.

Куда мы приплыли?

За последние двадцать лет цифровая сверхпроводниковая электроника испытала несколько существенных взлетов и падений. При этом общемировой уровень активности оставался примерно постоянным, но география исследований менялась, нередко кардинальным образом.

Первый взлет джозефсоновской технологии пришелся на Соединенные Штаты Америки начала 80-х годов: компьютерный гигант IBM объявил о планах по созданию сверхпроводникового суперкомпьютера с тактовой частотой в несколько гигагерц. Ученые из IBM не стали применять БОКЛ, которая в то время еще только рождалась за "железным занавесом", а использовали так называемую вольтовую логику (voltage-stage logic, MVTL). Сигналы в MVTL представлялись так же, как и в КМОП, уровнями напряжения, но передавались по сверхпроводниковым линиям, а хранились в сверхпроводниковых интерферометрах в виде уже знакомых нам квантов магнитного потока. Существенным недостатком MVTL являлось требование глобального высокочастотного тактирования, что сводило на нет все преимущества перед полупроводниками (по скорости и по энерговыделению). Отсутствие ясных перспектив и конурентоспособности привело к тому, что "ай-би-эмовский" проект, породив на свет прототипный примитивный четырехбитный микропроцессор, приказал долго жить. Коллектив учЈных и инженеров, работавших над процессором, отпочковался от IBM и возродился, как Феникс, спустя десять лет - в образе компании "Хайпрес" (HYPRES, Inc.), о которой пойдет речь ниже.

А тем временем центр мировой джозефсоники переместился в середине 80-х годов в Японию - в компании Hitachi и NEC. Японцы были неоригинальны и в качестве темы нового проекта выбрали... четырехбитный микропроцессор, основанный на логике MVTL. Неудивительно, что финал японского проекта в точности совпал с финалом его предыдущей, американской, реинкарнации: после демонстрации работающего чипа с микропроцессором на очередной международной конференции по сверхпроводниковой электронике (ISEC) работы были свернуты.

Очередное падение сверхпроводниковой микроэлектроники совпало с крушением "железного занавеса", и новорожденная, но еще не окрепшая БОКЛ вырвалась на просторы Европы. Кроме уже существовавших к тому времени лаборатории криоэлектроники Физического факультета МГУ им. Ломоносова и технологического центра в Институте Радиолектроники (ИРЭ) АН СССР, лаборатории по изучению БОКЛ открылись в нескольких немецких и шведских университетах. Интерес к БОКЛ "подогревался" открытием так называемой высокотемпературной сверхпроводимости (керамических сплавов, переходящих в сверпроводящее состояние при температуре в 77 кельвинов - то есть в жидком азоте, а не гелии!) В качестве перспективных областей применения БОКЛ впервые стали фигурировать высокоточные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП и ЦАПы). К сожалению, поразивший советскую науку кризис привел к тому, что лаборатория криоэлектроники, а за ней и сотрудники ИРЭ в полном составе переехали в США и в Европу.

Круг замнулся, и следующий взлет джозефсоновской схемотехники и технологии снова пришелся на США: на уже упоминавшиеся Университет штата Нью-Йорк в Стони-Бруке (SUNY at Stony Brook) и фирму HYPRES. Позднее к исследованию БОКЛ подключились Университет Рочестера (University of Rochester), Университет Беркли (UCB) и коммерческие фирмы Westinghouse (ныне Northrop Grumman), Conductus и TRW. Одновременно разработки устройств на базе БОКЛ начались в Японии, в Электротехнической лаборатории (ETL) и компании NEC.

В настоящее время в мире насчитывается более двух десятков групп, ведущих исследования в области БОКЛ. Основными применениями цифровой сверхпроводниковой микроэлектроники считаются: АЦП и их близкие родственники, высокоточные квантовые магнитометры (SQUID'ы); ЦАПы и их родственники, программируемые генераторы сигналов; телекоммуникационные коммутаторы, и, конечно же, самый главный и самый масштабный по финансированию проект американского суперкомпьютера XXI века с производительностью в 10¹⁵ операций с плавающей запятой в секунду. Сверхпроводниковые микросхемы, помимо HYPRES, который является признанными мировым лидером, изготавливаются в Беркли, Стони-Бруке, TRW, Conductus, ETL и NEC. Из коммерческих приложений следует отметить сверхпроводниковые БОКЛ-магнитометры производства Conductus, которые с успехом используются в многочисленных американских клиниках для наблюдения за сигналами головного мозга человека, и самый быстрый в мире АЦП, сделанный в HYPRES.

Что дальше?

Несмотря на блестящие перспективы, открывающиеся перед БОКЛ в связи с утверждением бюджета фазы III проекта петафлопного суперкомпьютера (предусматривающей изготовление прототипной четырехпроцессорной 64-битной рабочей станции - снова магическая цифра "4"!), успех нового проекта зависит от того, насколько эффективно сумеет сообщество ученых и инженеров прикрыть "ахиллесовы пяты" БОКЛ. К "пятам" относятся:

1. ненадежная и морально устаревшая технологическая база (HYPRES до сих пор изготавливает микросхемы с минимальным разрешением в 3,5 микрона, в то время как Intel уже уменьшил этот параметр до 0,18 микрона!)
2. отсутствие высокоскоростных интерфейсов, обеспечивающих связь сверхпроводниковых устройств с внешним полупроводниковым миром (максимальная экспериментально зафиксированная частота обмена составляет несколько гигагерц и маловероятно, что она превысит 30 ГГц);
3. отсутствие мощных и портативных рефрижератов замкнутого цикла, избавляющих от необходимости использовать жидкий гелий и иные малопрятные и дорогостоящие жидкости. Этот вопрос, пожалуй, является наименее критичным, поскольку он решается не в университетах, а в промышленности, и здесь наблюдается определенный прогресс.

Несомненно одно - полупроводниковая электроника подходит к своему последнему пределу, к последней черте, как по допустимой плотности дизайна, так и по тактовой частоте. За этой чертой - будущее, и оно принадлежит новым, пока еще экзотическим технологиям, с одной из которых я и познакомил вас в этой статье.