Лекция 2 - ofvp.phys.msu.ruofvp.phys.msu.ru/upload/iblock/43b/lecture2_2019.pdf · 11.11.2019 Программирование и информатика: Лекция2 3 Поколения

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


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-…


Полупроводники. p-n переход

Область нейтрального

заряда

Область нейтрального

заряда

Есть простран-

ственный заряд

Ко

нц

ентр

аци

я н

оси

телей


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


Полевой транзистор

В 1934 году Оскар Хейл - патент на полевой

транзистор. Впервые изготовлен в 1960 г.

p++ p++

МОП - структура

p-типа

-

+


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


11.11.2019 10

Логический элемент на базе КМОП-структур: инвертор

0 1


- 5 В

11.11.2019 11


1 0


- 5 В

11.11.2019 12


Переходной

процесс


- 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


11.11.2019 15

Ионная имплантация примесных атомов


11.11.2019 16

Изолирующий слой с большой диэлектрической проницаемостью

d

SC 0

p++ p++


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


11.11.2019 18

Маски с фазовым сдвигом


n = 1,4

λn = λ/n

11.11.2019 19

Иммерсионная жидкость

n = 1

n


http://s3.ob5.ru/images/640/04/0cb005c6a685215c792a8350a02dd457.jpg

http://s3.ob5.ru/images/640/04/0cb005c6a685215c792a8350a02dd457.jpg

http://images.wikia.com/science/ru/images/4/45/Standig_wave.jpg




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


11.11.2019 22

Многослойные проводящие «дорожки» в соответствие с топологией процессора

500 нм – 6 транзисторовполировка


11.11.2019 23

Индивидуальное тестирование матриц


11.11.2019 24

Упаковка готового процессора

Индивидуальная матрица Второе поколение процессоров

Intel® Core™ i5

20 мм 10 мм


11.11.2019 25

Магнитная память

•Увеличение плотности записи

•Уменьшение расстояния от головки

до магнитной среды


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


11.11.2019 27

Магнитная память на базе макро-и одиночных гранул

«Плохие» гранулы IBM: магнитно-компенсированные пленки

2001, 2004 гг. ~ 8 раз.


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.


11.11.2019 29

Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ)

STM/STS image


11.11.2019 30


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


11.11.2019 31

Детали предыдущей микросхемы, полученные с помощью

сканирующей электронной микроскопии



11.11.2019 32


Прототип жесткого диска, базирующегося на технологии Millipede (IBM)


11.11.2019 33

Голографическая запись информации

фоточувствительный

материал

голограмма

Теоретический предел: ~1014-1015 бит/см3

объектная

волна

плоская опорная

волна


11.11.2019 34

Чтение информации, записанной на голограмме

опорная

волна

реконструированная

объектная волна


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


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).


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


11.11.2019 39

Особые условия функционирования квантовых компьютеров


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


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.)

Documents

Лекция 2 - ofvp.phys.msu.ruofvp.phys.msu.ru/upload/iblock/43b/lecture2_2019.pdf · 11.11.2019 Программирование и информатика: Лекция2 3 Поколения