Ведущие европейские исследовательские организации и IBM объединят усилия для решения проблемы сохранения электроэнергии

Участниками этого проекта, координируемого Федеральной политехнической школой Лозанны (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, EPFL), являются ведущие научно- исследовательские организации, в том числе компании IBM Research-Zurich, Infineon и Global Foundries, Лаборатория электроники и информационных технологий при Французской комиссии по атомной энергетике (CEA-LETI), Исследовательский центр в Юлихе (Forschungszentrum Julich), Болонский, Дортмундский, Удинский и Пизанский университеты, а также компания SCIPROM, которая будет обеспечивать управление проектом.

Участники проекта будут применять свои экспертные знания и опыт при изучении возможностей использования туннельных полевых транзисторов (tunnel field effect transistor, TFET) и полупроводниковых нанотрубок для повышения энергоэффективности электронных устройств. Современный транзистор похож на протекающий водопроводный кран — даже если его полностью закрыть, вода продолжает капать. Электроэнергия постоянно «утекает», то есть расходуется напрасно, когда транзистор находится в выключенном состоянии. Участвуя в проекте Steeper, исследователи надеются не только уменьшить эту утечку с использованием нового метода более плотного «закрытия крана», то есть затвора транзистора, но и обеспечить открытие и закрытие затвора для максимального электрического тока при меньшем «повороте крана», то есть электрическом напряжении, для достижения максимальной эффективности.

По данным Международного агентства по энергетике (International Energy Agency, IEA), в настоящее время 15% всей потребляемой в домохозяйствах электроэнергии приходится на электронные устройства. По прогнозам, объемы электроэнергии, потребляемой информационно-коммуникационными системами и потребительской электроникой, к 2022 году удвоятся, в к 2030 году утроятся до 1700 терраватт-часов. Это эквивалентно суммарному энергопотреблению всех американских и японских семей в 2009 году¹.

Особенно расточительным является значительное потребление электроэнергии устройствами в режиме ожидания. По оценкам, на этот режим приходится десятая часть всего потребления электроэнергии в домах и офисах стран Европейского Союза². По прогнозам, к 2020 году потребление электроэнергии устройствами в режиме ожидания/выключенном состоянии возрастет до 49 терраватт-часов в год — что сопоставимо с годовым потреблением электроэнергии в Австрии, Чехии и Португалии вместе взятых³.

«Мы надеемся, что результаты наших исследований позволят производителям создать компьютер, который будет потреблять ничтожно малое количество электроэнергии в спящем режиме», — сказал профессор Адриан Ионеску (Adrian M. Ionescu), координатор проекта, руководитель лаборатории нанотехнологий Федеральной политехнической школы в Лозанне. — При поддержке программы Европейской комиссии 7th Framework Program (FP7), участники проекта Steeper будут исследовать возможности использования инновационных нанокомпонентов в компьютерных микросхемах для снижения рабочего напряжения до менее чем 0,5 В, чтобы на порядок уменьшить энергопотребление.

«Напрасное расходование электроэнергии стало одной из самых серьезных проблем для современной электроники, учитывая стремительное увеличение количества устройств, используемых компаниями и индивидуальными потребителями по всему миру, — отметил доктор наук Хайке Риль (Heike Riel), руководитель группы наноэлектроники подразделения IBM Research-Zurich. — Применяя результаты наших коллективных исследований туннельных полевых транзисторов с полупроводниковыми нанотрубками, мы стремимся значительно сократить потребление электроэнергии основными конструктивными блоками микросхем, а значит, и энергопотребление любых электронных устройств, от миниатюрной потребительской электроники до мощных суперкомпьютеров».

Помогающая наука

Разработка таких инновационных устройств, как транзисторы с большой крутизной (steep slope), давших название проекту, может обеспечить значительно более резкий переход между отключенным и включенным состояниями, в сравнении с текущим ограничением 60мВ/декада для полевого МОП-транзистора (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET) при комнатной температуре.

Одновременно это позволит сократить подпороговую утечку и снизить рабочее напряжение. Разработка энергоэффективных транзисторов с рабочим напряжением менее 0,5 В станет важнейшим фактором успеха проекта.

Для этого участники проекта будут изучать возможности разработки так называемых туннельных полевых транзисторов на базе кремниевых (Si), кремний-германиевых (SiGe) и III-V полупроводниковых нанотрубок. Нанотрубки — это цилиндрические структуры диаметром в несколько нанометров (нм), обеспечивающие оптимальный электростатический контроль транзисторного канала. В TFET-транзисторах для включения используется квантово-механическое туннелирование, и тем самым достигаются более крутые характеристики включения, в сравнении с обычными MOSFET-транзисторами.

В ходе проекта Steeper будут оцениваться физические и практические ограничения повышения эффективности с использованием TFET-транзисторов с нанотрубками на базе полупроводников III-V и соответствующие преимущества для энергоэффективных цифровых микросхем будущего.

Проект, начатый в июне 2010 года, рассчитан на 36 месяцев.

Источники:

1 Международное агентство по энергетике (International Energy Agency, IEA), Gadgets and Gigawatts. Policies for Energy Efficient Electronics (Гаджеты и гигаватты. Политики обеспечения энергоэффективности электронных устройств), 424 стр., ISBN 978-92-64-05953-5.

2 Объединенный исследовательский центр Европейской комиссии, Институт проблем энергетики, European Codes of Conduct for ICT (Европейский кодекс для информационных и коммуникационных технологий).

3 Electricity Consumption and Efficiency Trends in European Union (Потребление электроэнергии и тенденции энергоэффективности в Европейском союзе), отчет о текущем состоянии, 2009 год, JRC-IE