Ny elektronisk effekt fundet i transistor

Snart skal der skrives nye ligninger til lærebøgerne om transistor-teknologi. I hvert fald har forskere fra MIT i USA og universitetet i Augsburg i Tyskland opdaget en overraskende og kraftig natur-effekt, som ikke lader sig beskrive med den eksisterende viden.

Effekten giver en superkraftig kapacitans i en transistorgate, og det betyder, at når først forskerne forstår effekten i alle detaljer, så kan der igen blive mulighed for at øge klokhastigheden i computere ganske betydeligt. Men foreløbig handler det dog kun om, at den nødvendige spænding, der skal til på gaten for at fylde elektroner i den ledende kanal, er ubegribelig lille.

»Den ledende kanal i halvlederen suger elektroner ind, som om der var vacuum,« siger professor Raymond Ashoori fra MIT i en pressemeddelelse.

Her ses forskernes eksperimental-transistor, hvor det ledende grænselag er mellem lanthan-aluminat og strontium-titanat. Her holder elektronerne stormøde, så snart der er noget spændende på gaten. (Foto: MIT) Illustration: MIT

Klokken er gået i stå

Klokhastigheden har ellers været et ømt punkt i computerindustrien, fordi øget klokhastighed medfører øget varmeudvikling og dermed øget strømforbrug. Det har bremset computernes hastighedsudvikling i de seneste ti år og tvunget industrien til i stedet at satse på flere hardware-kerner på hver processorchip for på den måde at øge arbejdsevnen. Men det er en udvikling, som stiller store krav på software-siden.

Når en almindelig transistor-halvleder af silicium skal bringes til at lede en strøm, sker det ved, at der sættes elektrisk spænding på en såkaldt gate, der er tæt på halvlederen. Spændingsforskellen får et antal elektroner til at samle sig i halvlederens grænseområde, og derved dannes en lille elektrisk kanal, der kan lede en strøm. Når man fjerner spændingen på gaten, forsvinder kanalen igen, og halvlederen bliver igen isolerende.

Der er en sammenhæng mellem gate-spændingens størrelse og mængden af ophobede elektroner i kanalen. Og jo flere elektroner, der samles under gaten ved en given spænding, jo større er transistorens kapacitans. Høj kapacitans er eftertragtet, fordi en transistor, der kan åbne gaten med en mindre spænding, kræver mindre strøm, når klokhastigheden sættes i vejret.

Voldsom kapacitans

Det nye, som forskerne har opdaget, er, at hvis man opbygger en transistor med den ledende kanal i et grænselag mellem lanthan-aluminat og strontium-titanat, og hvis gaten opbygges med en sandwich af flere lag lanthan-oxid og aluminium-oxid, så opbygges fra de forskellige lag et samlet elektrisk felt, som åbner den elektriske kanal i grænselaget. Det ligner den almindelige silicium-transistor lidt.

Men det særlige er altså, at det kun kræver en meget lille gate-spænding at fylde den halvledende kanal op med elektroner. Det vil sige, at denne transistors kapacitans bliver meget høj. Og dermed opstår håbet om at kunne øge klokhastigheden igen uden at bruge mere energi. Ti års tvungen pause i den udvikling kan være brudt.

»Måske er det en ny kvantemekanisk effekt eller en ukendt fysisk egenskab i materialet,« siger professor Raymond Ashoori.

Men det går langsomt

Imidlertid er det foreløbig kun et håb, for forskerne forstår ikke, hvad det er, der sker. Og opbygningen af elektroner under gaten sker forholdsvis langsomt, så umiddelbart kan man ikke sætte farten op på nogle nyudviklede lanthan-strontium chips.

»Opdagelsen vil ikke revolutionere elektronikbranchen i morgen. Men vi har vist, at mekanismens eksisterer, og når vi forstår, hvad den går ud på, så kan vi begynde at bruge den til noget,« siger Raymond Ashoori.

Rettelse: Det er nu blevet ekstra fremhævet øverst i artiklen, at det vigtige nye i opdagelsen er, at der kun kræves en ekstremt lille spænding på gaten for at fylde den halvledende kanal.

Dokumentation

Pressemeddelelse i MIT News
Forskningsartikel om den nye effekt

Emner : Fysik
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Nu er strømforbrug og køling vel ikke den eneste faktor for hvor hurtigt en chip kan køre. Med mindre at transistorne også kan åbne væsentligt hurtigere, så er der vel andre problemer, som f.eks. setup og hold tider i processoren, der stadig spiller ind. Det er lidt den gamle opfattelse af at hvis man hælder flydende nitrogen på en IC kan den køre uendeligt hurtigt. Der er ligeså mange problemer der opstår når en IC bliver for kold som når den bliver for varm. Derudover fremstår det også som om, at multikerne teknologien kun er er en unødvendig teknologisk byrde da udviklingen i clock hastigheden gik istå, men der er da mange fordele ved at køre med multikerne processorer og software udviklere mærker det da normalt ikke da deres process automatisk bliver sat igang på den ene af de to kerner...

  • 0
  • 0

og software udviklere mærker det da normalt ikke da deres process automatisk bliver sat igang på den ene af de to kerner...

Nej, det tror jeg heller ikke. Men eksperter fortæller mig, at når der kommer mange flere hardware-kerner, så er det ikke enkelt at skrive software, som optimerer udnyttelsen. Især ikke, hvis den samme software på én computer skal køre på 16 kerner og på en anden får adgang til 64 kerner. Man kunne forestille sig en kompiler, der automatisk opdeler koden, så den kan udnytte mange kerner. Men her henviser jeg igen til vidende folk, som siger, at den slags ikke er effektivt.

  • 0
  • 0

Man kunne forestille sig en kompiler, der automatisk opdeler koden, så den kan udnytte mange kerner. Men her henviser jeg igen til vidende folk, som siger, at den slags ikke er effektivt.

Tjah, den slags udtalelser gælder kun indtil videnskaben bliver klogere...

Skal det foregå effektivt, tror jeg det sker bedst, ved hjælp af dynamiske compilerteknikker, hvor compileren producerer compileret kode under udførslen. Ofte indeholder et program, en uendelig paralleliseringsgrad, og problemet er i ligeså høj grad, at mappe de mange parallele processer ned i en cpu's få strenge. Dette sker bedst under udførslen. I nogle tilfælde, kan et program ikke paralleliseres statisk, fordi den behøver viden om dets inputs, før der kan ske en parallelisering. Et typisk tilfælde, kan være en paralleliserbar løkke, hvor muligheden for parallelisering afhænger af løkkens antal. Den kan nemt paralleliseres af en dynamisk compiler, og det kan regnes ud under udførslen, om det betaler sig - og hvor en parallelisering skal sættes ind, for at bruge CPU'ens kerner ideelt, da mange programmer, når løkker mv. paralleliseres, giver mulighed for milliarder af samtidige tråde. Det halve af opgaven, er at køre de rette tråde, og tage hensyn til hukommelsesforbrug og nødvendig parallelisering. En overflødig parallelisering, koster også hukommelse.

For stigende CPU-ydelse via mange kerner kan der også opstå et yderligere problem med en flaskehals mellem CPU og hukommelse.

Jeg vil næsten påstå det modsatte - at flere kerner, minimaliserer problemet, mellem flaskehalsen mellem CPU og hukommelse, fordi at flere CPU'er, samtidigt har adgang til udelte hukommelser. Båndbredden øges altså med antallet af CPU'er.

Det er korrekt, at der kan være problemer med kommunikationen mellem CPU'erne. Derfor, vil man dele parallelisme op i to forskellige typer: Parallele processer, der arbejder tæt knyttet, og anvender samme CPU, og samme registersæt - VLIW parallelisme. Og så den svagt knyttede parallelisme, hvor processorerne arbejder uafhængigt, med uafhængige opgaver. Her er langsommere kommunikation mellem processorerne, men de arbejder uafhængigt, og har sin egen hukommelse, og kan derfor opnå stor hastighed.

  • 0
  • 0

Noget af det mest spændende, jeg har læst i lang tid, er Armstrongs bog om open source-programmeringssproget Erlang, som virkelig kan udnytte X hardware-kerner på en fornuftig måde. Men her handler det også om, at programmøren hurtigt gør sig klart, hvor store dele af programmet, der betaler sig at splitte op i uafhængige processer. Nogle opgave-typer er helt sekventielle af natur, og så er det ligegyldigt, om der er mere end én processor. De fleste programmer rummer problem-andele, som er naturligt sekventielle og andre, som er naturlige at løse med parallelle processer. Og her får mange programmører angiveligt vanskeligheder, fordi de programsprog, de er vant til, ikke er nemme at have med at gøre, når parallelle, uafhængige processer skal dele hukommelse. Jeg er vild med Erlang - men kun på hobby-niveau. Der er grænser for, hvor meget man kan brede sig over i ét liv.

  • 0
  • 0

Hvorfor er det garbage collected functional programming language Erlang det store hit ?

Det har kun ringe gang på jord. Måske har eksotiske sprog Kent Kroyers interesse, netop fordi det er eksotisk ?

Da det blev lanceret i 1986 var det ikke multithreaded. Det er først tilføjet senere.

K.K. jeg savner argumenter. Begrund venligst hvorfor Erlang skulle være noget særligt. Er Intels muliti threaded compilere ikke langt bedre ?

Strømforbruget er altafgørende. IBM Roadrunner med ca. 129.600 CPU kerner har et strømforbrug på 2350 kW !!! Den planlagte Blue Waters vil have et forbrug på 15000 kW.

Pt. er spændingen ca. 1 V. En reduktion til mere end 0,5 V er utænkeligt pga. støjproblemer. Det svar til en effektreduktion til 25 %. De bedste forbedringer kommer ved geometri-reduktioner, og ved forbedret gate-teknologi - som også refereret på Ingeniøren (Ny Intel transistorer).

  • 0
  • 0

@Svend Ferdinandsen

Strømforbruget vil falde. Men pt. er transistorerne langsomme. Så der er kun tab og ingen gevinst. Gate-geometrien er afgørende. Super spørgsmål.

Artiklen mangler totalt angivelser af skiftetider og transistor-geometri. Gatespændingen kan næppe nedsættes fra de nuværende ca. 1 volt til mindre end 0,5 volt. (En effektforbedring med en faktor 4).

Det afgørende er gateladningen, som Intel adresserer med den i Ingeniøren for ca. 14 dage siden beskrevne gate-geometri. Kan den (energien) reduceres fra de nuværende ca. 70 picojoule pr skift til ca. 10 picojoule, er der en stor gevinst.

Multikerner: De er opbygget af nød. Det er ok, når teknologien ikke rækker længere. Problemet er (se mit tidligere indlæg) at det kræver energi, hver gang data skal udveksles mellem de forskellige kerner eller lageret.

  • 0
  • 0

"K.K. jeg savner argumenter. Begrund venligst hvorfor Erlang skulle være noget særligt. Er Intels muliti threaded compilere ikke langt bedre ?"

@Henrik Pedersen

Det kan jeg slet ikke vurdere. Intel's løsning er sikker meget god. Men efter at have læst Armstrongs bog blev jeg selv interesseret i Erlang. Det løser problemet med delt hukommelse og inter-afhængige processer ved at bruge et autonomt "postvæsen" mellem processerne. Det er rigtigt, at mængden af Erlang-programmører er meget beskeden. Men det siger nu ikke noget om sprogets kvaliteter.

Grunden til, at artiklen mangler oplysninger om skiftetider og transistor-geometri, er, at der slet ikke er tale om en færdig-udviklet transistor, hvor den slags kan måles. Nyheden er, at der er fundet en ny, ukendt effekt, som man nu skal finde en forklaring på - det er spændende i mine øjne - og når den forklaring en skønne dag dukker op, SÅ kommer udviklingen af nye, spændende transistorer. Og DERPÅ vil en fabrikant en dag udgive specifikationer på transistorerne.

mvh. Kent

  • 0
  • 0

Jeg undrer mig over om strømforbruget virkelig falder. Mindre spænding og større kapacitet, lyder som samme strøm. Effekten kan dog gå ned på grund af lavere spænding.

Hej Svend

Energiforbruget til gate-skift kan falde/stige - for faldende Von og hvor meget C stiger i samme ombæring.

http://da.wikipedia.org/wiki/Elektrisk_kon... Citat: "... Udtrykket for energien i en opladet kondensator er altså: E = 1/2 * C * U0^2 ..."

Energiforbruget er (formel):

http://en.wikipedia.org/wiki/CMOS#Power:_s... Citat: "... In one complete cycle of CMOS logic, current flows from VDD to the load capacitance to charge it and then flows from the charged load capacitance to ground during discharge. Therefore in one complete charge/discharge cycle, a total of Q=CL VDD is thus transferred from VDD to ground. Multiply by the switching frequency on the load capacitances to get the current used, and multiply by voltage again to get the characteristic switching power dissipated by a CMOS device: P = C V^2 f. ..."

Bemærk at effektforbruget for fastholdt skiftefrekvens er: * proportional med Cgate * proportional med gatespændingen V i anden.

Der er ikke en 1/2 faktor med, fordi der er to gate-kondensatorer i en simpel CMOS-inverter.

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten