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

Федеральная политехническая школа Лозанны и корпорация IBM объявили о реализации важной исследовательской инициативы, в рамках которой ведущие европейские исследовательские организации объединят свои усилия для решения такой серьезной проблемы, как значительное увеличение объемов электроэнергии, потребляемой различными электронными устройствами, от мобильных телефонов, ноутбуков и телевизоров до суперкомпьютеров. Целью исследовательского проекта Steeper является десятикратное повышение энергоэффективности этих устройств в активном режиме и практически нулевое потребление электроэнергии в пассивном или ждущем режиме.

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 году.

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 Союза. 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 взятых.

<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.