Ваш комп скоро станет музейным экспонатом: Россия открывает эру субангстремных технологий для процессоров

Существует ли предел миниатюризации? Возможно. Но наши учёные из «Шухов.Нано», кажется, нашли способ его отодвинуть, шагнув в субангстремную эру. Почему это может стать революцией, сравнимой с появлением первого транзистора, — попробуем разобраться.

Все мы уже привыкли, что каждый год производители смартфонов и компов выкатывают нам что-то типа: «А вот наш новый проц, теперь на 5, нет, на 3 нанометра! Быстрее, мощнее, батарейку держит на 5 минут дольше!»

Скоро вот-вот TSMC обещает 2 нм (это 20 ангстрем, если что) подкатить, Intel с Samsung тоже не спят, пыхтят над своими 1,8 нм и 1,2 нм. И мы такие: «Вау, нанометры, крутяк!»

А кто-то, особо продвинутый, даже знает, что нанометр — это одна миллиардная доля метра. Короче, очень-очень мало. И это всё, несомненно, круто.

Но что, если нанометры — это уже почти вчерашний день? Что есть ребята, которые заглянули ЕЩЁ глубже, на уровень, где размеры измеряются долями атома?

В общем, речь идёт про субангстремы. Наши учёные из «Шухов.Нано» (это нанотехнологический центр при легендарной Бауманке, который создан вместе с ядерщиками из Всероссийского научно-исследовательского института автоматики имени Н. Л. Духова им. Духова), похоже, показали работающую технологию для создания процессоров следующего поколения.

Субангстрем?

Тут для начала было бы неплохо быстро пробежаться по терминам, чтобы было всё немного понятнее.

Итак, нанометр (нм) — это одна миллиардная метра. Чтобы было понятнее, насколько это мало — человеческий волос имеет толщину где-то 50 000 нанометров.

А теперь ангстрем (Å) — он в 10 раз меньше нанометра. То есть, 0,1 нм. Это уже размеры, сопоставимые с диаметром одного атома.

Ну и с субангстремами логика теперь понятна — тут мы оперируем величинами меньше размера атома (то есть, десятые или даже сотые доли ангстрема). Это, грубо говоря, как взять атом и разделить его ещё на пять частей и каждую контролировать.

Зачем так мелко? А затем, что в обычных процессорах, которые стоят в ваших компах, ноутах и смартфонах (они сделаны по так называемой КМОП-технологии), всё просто: чем меньше транзисторы (это основа любого чипа), тем больше их помещается на одном кристалле. Больше транзисторов — выше производительность, меньше энергопотребление.

КМОП — комплементарная структура металл-оксид-полупроводник.

Поэтому все гиганты индустрии — Intel, Samsung, TSMC — и гонятся за этими нанометрами: пытаются упаковать транзисторы как можно плотнее.

Но есть один жирный такой НЮАНС. Мало просто наштамповать миллиарды крошечных транзисторов. Внутри каждого из них есть супертонкая плёночка — подзатворный диэлектрик. Её толщина — какие-то 1,5-2 нанометра. Но при таких размерах начинают доминировать эффекты квантового туннелирования.

Именно толщина диэлектрика во многом определяет пороговое напряжение и частоту работы транзистора. При «простом» уменьшении техпроцесса мы упираемся в физические ограничения.

И вот эту толщину нужно контролировать с просто адской точностью. Лучшие мировые производители сегодня могут обеспечить точность плюс-минус 0,2 нанометра, то есть ±2 ангстрема (запомните эту цифру, она нам ещё пригодится).

Когда мы говорим о квантовых компьютерах — следующая ступень эволюции вычислительной техники — там требования к точности вообще запредельные.

Квантовые компьютеры работают на кубитах (вместо транзисторов). Кубит — это, если упрощать до безобразия, такой искусственный атом, который может быть одновременно и нулём, и единицей (суперпозиция, в общем). И вот этим кубитам нужна точность изготовления на порядок выше, чем обычным транзисторам.

Они должны быть идеально одинаковыми, как в природе. Любой разброс в размерах, даже на какие-то жалкие доли нанометра, приводит к тому, что частоты кубитов расходятся, и весь квантовый расчёт идёт коту под хвост. А это для квантового компьютера — фатальный провал.

Есть iDEA

Именно поэтому ребята из «Шухов.Нано» изобрели технологию, которую назвали iDEA (расшифровывается как ion beam-induced DEfects Activation — активация дефектов фокусированными ионами).

Суть их разработки не в том, чтобы с нуля создавать какие-то маленькие составляющие. Нет, они пошли другим путём. Они придумали, как уже почти готовые, но слегка косячные элементы квантовых процессоров доводить до идеала с атомарной точностью — ±0,2 ангстрема (помните же про те 2 ангстрема?).

Как это работает? Грубо говоря, берут чип с этими самыми кубитами. Некоторые из них получились чуть-чуть не такими, как надо по проекту — где-то слой туннельного диэлектрика на пару атомов толще или тоньше. Его «частота» (у кубитов есть свои рабочие частоты, и они должны быть настроены идеально) немного сбилась.

И вот технология iDEA позволяет на каждый такой проблемный кубит посветить сфокусированным пучком ионов (гелия или неона). Эти ионы создают в кристаллической решётке материала строго дозированные дефекты. И эти дефекты, в свою очередь, провоцируют сверхточное изменение толщины выбранного слоя в кубите — того самого интерфейса «металл-оксид», от которого зависит его правильная работа.

В итоге кубит из «почти хорошего» превращается в «идеальный». Весь процесс автоматизирован и занимает всего одну секунду на кубит.

Ранее одинаковые атомы могла создавать только природа — это было за гранью доступных технологий. Мы могли изготовить хоть 100 кубитов на уровне полупроводниковой фабрики, но даже малейший разброс размеров в ±5 нм или толщины туннельного барьера в доли нанометра по чипу приводит к недопустимым ошибкам для некоторых кубитов. Квантовый процессор — это единый механизм, объединяющий десяток топовых технологий, и каждая должна работать, как часы. Сегодня мы представляем критическую метод управления параметрами кубитов. Наше открытие — это путь к практически полезным квантовым вычислениям.

Что это даёт?

Ну, во-первых, благодаря такому тюнингу, выход годных кубитов приближается к 100%. Раньше как было? Наклепали на заводе кучу кубитов, а потом выясняется, что половина из них — брак, потому что размеры гуляют, и они не работают как надо. А с iDEA почти каждый кубит становится идеальным.

Во-вторых, это прямой путь к созданию квантовых процессоров с тысячами кубитов. Сейчас даже такие гиганты, как IBM, бьются над тем, чтобы стабильно работали хотя бы несколько сотен кубитов. А с точностью, которую даёт iDEA, можно смело замахиваться на 1000 и более кубитов.

Мы обеспечиваем отклонение от проектной частоты кубита не более ±0,35%, и это позволяет переходить к многокубитным квантовым процессорам и симуляторам

Для сравнения: IBM считает, что их текущий уровень точности (разброс частот ±14-18 МГц) позволит делать процессоры с 300 кубитами. А iDEA уже сегодня позволяет целиться в точность лучше ±10 МГц, что, по расчётам, открывает дорогу к тысячекубитным российским системам.

В-третьих, наша технология точнее, быстрее и деликатнее, чем у конкурентов. Другие команды используют, например, лазерный отжиг (как в IBM Quantum) или электрическую обработку (как в Rigetti). Но эти методы обрабатывают гораздо большую площадь, то есть, исправить очень близко расположенные кубиты не получится. А ещё они медленнее: десятки, а то и сотни секунд на один кубит против одной секунды у iDEA.

Ну и что самое критичное, так это то, что они могут повредить соседние, уже настроенные элементы. А iDEA бьёт точно в цель, при этом не затрагивает ничего вокруг. Это критически важно, когда вы пытаетесь упаковать на чип тысячи кубитов.

И это не просто красивые обещания на бумаге. Технология iDEA уже апробирована в деле. С её помощью созданы самые высококогерентные («долгоживущие») кубиты-трансмоны в России.

Их время жизни после такой обработки превысило 500 микросекунд — это уровень ведущих мировых лабораторий. На этих процессорах уже даже решали реальные задачи из области материаловедения.

А теперь самое интересное: технология iDEA крута не только для квантовых компьютеров. Её можно применять и для изготовления других пост-КМОП процессоров будущего. Например, для новых типов транзисторов, мемристоров (это такая умная память, которая может запоминать не только 0 и 1, но и промежуточные состояния), магнитных скирмионов (ещё одна перспективная штука для вычислений).

Короче, для всего того железа, которое должно прийти на смену сегодняшним кремниевым процессорам, когда те окончательно упрутся в свой физический и энергетический потолок.

Ну и если Запад когда-нибудь снимет санкции (ха-ха), то Россия сможет продавать свои технологии за рубеж. А ещё — строить квантовый интернет, который невозможно взломать (мечта параноика), или гибридные суперкомпьютеры для колонизации Марса.

Но даже если не брать космос, такие чипы изменят всё: от транспорта до медицины и разработки нейроморфных вычислительных сетей и низкопотребляющих интегральных схем.

Подводные камни

Конечно, было бы наивно полагать, что вот завтра в каждом магазине появятся квантовые компьютеры с шильдиком «Сделано в России на основе iDEA». Путь от лабораторного прорыва до массового продукта всегда долгий и тернистый.

Нужны инвестиции, промышленное внедрение, решение кучи инженерных задач. Как говорит сам Илья Родионов: «Да, он непростой и довольно длинный, но мы ускоряемся!».

Проблем хватает: нужно масштабировать технологию для промышленного производства, готовить кучу высококлассных специалистов, да и сама фундаментальная наука о квантовых вычислениях ещё полна белых пятен.

Конкуренция в этой сфере — просто бешеная. США, Китай, Европа — все вкладывают миллиарды долларов и евро в квантовую гонку.

Однако, наши учёные не просто «догоняют» западные технологии, а предлагают миру уникальный и более эффективный метод (технология обработки искусственных атомов фокусированным ионным пучком предложена впервые в мире), который к тому же по достоинству оценило мировое научное сообщество (результаты исследования опубликованы в Science Advances).

Плюс технология защищена патентом РФ, и идёт патентование за рубежом.

Вместо P.S.

Так что же в сухом остатке? А то, что пока мы с вами апгрейдим свои компы, добавляем планку оперативки или меняем видюху, есть люди, которые тихо, но упорно двигают науку вперёд.

Будем надеяться, что субангстремная эра технологий уже не за горами (и это не просто импортозамещение на минималках), и не получится «как всегда».

Кто знает, может, через несколько лет мы будем обсуждать не количество гигагерц и ядер в наших гаджетах, а число идеально настроенных кубитов и точность их «субангстремного тюнинга».

Ведь все шансы-то на это есть.