Конденсаторы с отрицательной емкостью снизят энергопотребление процессоров
Уникальные свойства ферроэлектриков могут быть использованы для радикального снижения мощности, потребляемой современной электроникой.
Что общего между электрическим чайником и самым последним процессором от компании Интел? По сути ничего, разве что и тот и другой способны нагреваться в ходе работы. Но если для чайника греть воду – его первостепенная задача, то для процессора это побочный и весьма нежелательный процесс.
Современный процессор состоит из миллиарда отдельных транзисторов, каждый из которых можно рассматривать как микроскопический нагревательный прибор. Уже выпускаются процессоры, разработанные по 22 нм технологии. Но чем плотнее мы размещаем транзисторы на кристалле и чем больше их число, тем острее встает вопрос о снижении энергопотребления. И если для стационарных систем проблему отчасти можно решить более мощной системой охлаждения, то для мобильных устройств один из важнейших параметров –это время автономной работы. Что толку, если в вашем планшете будет стоять самый быстрый процессор, но он будет греться как сковородка и разряжать аккумулятор в считанные минуты?
Стоит обратить внимание на два существенных момента. Если мы повышаем напряжение на затворе, то возрастет тепловыделение при его открытии-закрытии, что аналогично зарядке-разрядке конденсатора. Поскольку наша цель сделать энергоэффективный процессор, а не электроплитку, то разумным кажется снизить напряжение. И это действительно правильно. Однако тут нас подстерегает другое фундаментальное ограничение. Существует минимально возможное напряжение, при котором транзистор может надежно работать. Напряжение снизится – и затвору не хватит потенциала держать переход сток-исток закрытым, а логический ноль может сам по себе превратиться в единицу. Так каким же образом конденсатор со странной отрицательной емкостью может помочь выбраться из этой, казалось бы безвыходной, ситуации?
Вспомним классический конденсатор – две проводящие пластины, расположенные на небольшом расстоянии друг от друга. Если к пластинам подключить источник постоянного тока, то произойдет зарядка конденсатора: на одной пластине будет избыток электронов – отрицательных зарядов, а на другой недостаток – пластина будет заряжена положительно. В данном случае емкостью конденсатора будет служить отношение общего заряда (числа электронов) на пластинах к напряжению, которое необходимо, чтобы удержать эти заряды. В самом простом случае заряд на конденсаторе прямо пропорционален приложенному напряжению, и емкость является постоянной величиной. В других случаях емкость может зависеть от накопленного заряда, но в любом случае сохраняется правило: чем больше приложенное напряжение, тем больше заряд на конденсаторе.
А теперь представим, что есть такой конденсатор, заряд которого уменьшается с ростом напряжения, и наоборот – уменьшаем напряжение, а заряд на нем возрастает. Парадокс! Но именно такими уникальными свойствами обладают ферромагнетики, а описанный эффект называется отрицательной емкостью. В своей работе физики из Беркли использовали тонкую пленку толщиной 60 нм из вещества с составом Pb(Zr0.2Ti0.8)O3 для того, чтобы напрямую наблюдать удивительный эффект.
Рис.2 Схематическое изображение полевого транзистора (FET). Исток, канал и сток изготавливаюися из полупроводникового материала, а канал формируется допированием. Канал отделен от металлического электрода затвора с помощью изолятора. Если между истоком и стоком прикладывается напряжение, но электроны (красные) могут перейти по каналу, если у них достаточно энергии чтобы преодолеть потенциальный барьер (сплошная синяя линия). Увеличивая напряжение на затворе можно повысить барьер и уменьшить соответствующий ток между истоком и стоком. Изменяя потенциал на затворе можно регулировать ток через канал, однако каждое изменение потенциала вызывает потерю энергии на нагрев, поскольку физически это процесс зарядки/разрядки конденсатора. Заменив изолятор на материал с отрицательной емкостью можно добиться снижения энергопотребления при тех же значениях регулируемого тока.
Рис.3 Элементарная ячейка ферроэлектрика Pb(Zr0.2Ti0.8)O3. Стоит обратить внимание на то, что она не кубическая, а атом титана находится не в центре объема. Несимметричность структуры обуславливает ее постоянный дипольный момент. При приложении внешнего электрического поля возможна переориентация вектора дипольного момента, связанная с деформацией внутренней структуры ячейки.
// Joe T. Evans, Jr., Theory of Ferroelectric Capacitance, www.ferrodevices.com
По материалам Berkeley Research
Фото на заставке Uwe Hermann.
