Учёные придумали бескварцевую электронику: это снизит зависимость США от импорта

Как известно, США возрождают свою полупроводниковую промышленность. Заводы растут как грибы после дождя, но удовлетворить все потребности необъятного рынка микроэлектроники не выйдет ни при каких условиях. Учёные из США придумали, как обойти потребность в одном из важнейших элементов для современной электроники — в тактовых генераторах, которые нужны для работы многих сложных систем и которые выпускаются отдельно от контроллеров и процессоров.

Источник изображения: Second Bay Studios purdue.edu

Группа исследователей с Факультета электротехники и компьютерной инженерии Университета Пердью (Уэст-Лафайетт, штат Индиана) предложила превратить в тактовый генератор часть FinFET-транзисторов в самом микропроцессоре.

«В каждом элементе высокопроизводительной электроники используются FinFET, — сказала Дана Вайнштейн (Dana Weinstein), профессор и сотрудник университета, а также один из авторов разработки. — Интеграция этих функций [тактового генератора в чип] расширяет возможности нашей микроэлектроники за пределы просто цифровых микропроцессоров. Если технология изменится, мы сможем адаптироваться, но мы будем двигаться вперед с интегрированной микропроцессорной системой».

Иными словами, пока для выпуска чипов будет применяться технология FinFET с вертикальными транзисторными каналами, чипы могут нести в себе встроенные тактовые генераторы.

Тактовые генераторы необходимы для того, чтобы синхронизировать различные элементы в компьютерной системе — частота генератора используется в качестве эталона. Без тактового генератора ничего работать не будет. Традиционно тактовые генераторы используют резонаторы из кварца, а потому интегрировать их просто так в микросхему невозможно. В последнее время на смену тактовым генераторам с кварцевыми и пьезокерамическими резонаторами пришли интегрированные и настраиваемые тактовые генераторы на микроэлектромеханических схемах (МЭМС). Это одновременно и простое и сложное устройство. Однако без традиционных кварцевых устройств по-прежнему не обойтись.

Поэтому предложение американских учёных очень интересно и позволит сэкономить деньги и время. Идея со встроенным тактовым генератором следующая. Транзисторы FinFET могут не только переключаться (открываться и закрываться), но также работать в режиме удержания энергии — как своеобразный конденсатор, чему будет способствовать относительно большое вертикальное ребро транзисторного канала. Исследователи смогли подобрать такой режим переключения соседних транзисторов, что те попеременно создавали физическое давление на диэлектрическую плёнку (изолятор) между каналом (ребром) и затвором.

«Мы сжимаем эти слои между затвором и полупроводником, надавливая и притягивая эту тонкую область между затвором и ребром, — пояснил другой автор работы. — Мы делаем это попеременно на соседних транзисторах — один сжимаем, другой растягиваем — создавая вибрации в боковом направлении в устройстве».

Пара работающих таким образом FinFET транзисторов начинает переключаться с определённой резонансной частотой, превращаясь, по сути, в интегрированный резонатор. Но ещё интереснее, как частота акустических колебаний превращается в электронный сигнал! Колебания физически передаются другим соседним FinFET-транзисторам, что отражается на синхронном изменении их токовых параметров. Обработка и усиление такого сигнала создают тактовый сигнал с превосходными характеристиками.

«У вас будет один чип, который делает всё, вместо нескольких чипов, нескольких методов производства и нескольких наборов материалов, которые должны быть интегрированы — часто за рубежом, — резюмирует Дана Вайнштейн. — Америке необходимо развивать свои возможности в производстве чипов, и такое развитие решает множество проблем в области поставок, национальной безопасности и безопасности оборудования». К тому же, использование встроенных генераторов создаст трудности для хакеров, желающих атаковать блок тактового генератора по ряду побочных каналов (временные атаки с использованием задержек). На внешний генератора такую атаку провести сравнительно просто, тогда как до интегрированного генератора добраться будет просто невозможно.