Vacuümkanaaltransistors beloven flinke snelheidsverbetering chips

Onderzoekers denken Moore's Law voor transistors nog wat verder te kunnen rekken door terug te grijpen op vacuümtechniek. De eerste transistors met een vacuümkanaal zijn al geproduceerd en zouden onder meer voor communicatie ingezet kunnen worden.

Het nieuwe type transistor werd door medewerkers van het Ames-onderzoekscentrum, onderdeel van NASA, ontwikkeld. De vacuümkanaal-transistors zouden in communicatie-apparatuur ingezet kunnen worden: hun ontwerp maakt zeer hoge snelheden mogelijk die met traditionele silicium mosfets niet haalbaar zijn. Het eerste prototype van de onderzoekers haalde een schakelsnelheid van 460GHz, waarmee de transistors in de terahertz-band voor zenders en ontvangers gebruikt zouden kunnen worden.

Zover is het echter nog niet: het prototype werkt nog met een spanning van 10V, wat te hoog is voor gebruik met normale transistors. Door het ontwerp aan te passen, zouden de 'vacuümtransistors' echter met vergelijkbare spanningen als normale transistors kunnen werken en samen op chips ondergebracht kunnen worden. De productie van de vacuümtransistors is daarvoor al geschikt: standaardproductietechnieken die in de halfgeleiderindustrie worden ingezet, zijn ook geschikt voor de productie van de vacuümtransistors.

De transistors werken op een deels vergelijkbare manier als de vacuümbuizen. de voorlopers van moderne transistors: ze hebben echter niet de nadelen van die buizen. Zo hoeven ze niet op te warmen omdat er geen warme kathode nodig is. Bovendien hoeft in het kanaal helemaal geen vacuüm te heersen: over de kleine afstanden is zo'n vacuüm helemaal niet nodig maar kan helium gebruikt worden. De onderzoekers maken de afstand tussen anode en kathode zo kort, dat de kans op botsingen tussen elektronen en gasmoleculen laag is. Bovendien hebben de elektronen met de gebruikte spanningen te weinig energie om heliummoleculen aan te slaan. De ionen die daarbij gevormd zouden worden, zouden de kathode kunnen beschadigen.

De vacuümtransistors werken grotendeels als gewone mosfet, met een gate-elektrode die de stroom tussen de kathode en anode, ofwel de source en drain, regelt. De source- en drain-elektrodes zijn scherpe elektrodes, waartussen elektronen kunnen oversteken. Daarbij ondervinden ze geen hinder van botsingen, zoals in een halfgeleidermateriaal in traditionele transistors. De onderzoekers gaan zich nu richten op het ontwerp van circuits met een groot aantal van deze vacuümtransistors, waarbij waarschijnlijk mems-technieken gebruikt moeten worden om de juiste heliumatmosfeer te waarborgen.

Reacties (50)

[efari]

Waarom zou dit Moores wet mbt transistors moeten verder rekken? Moores wet stelt dat het aantal transistors in een geïntegreerde schakeling door de technologische vooruitgang elke 2 jaar verdubbelt.
Als deze nieuwe transistoren niet kleiner zijn dan de huidige (en daar staat niets van in dit artikel, enkel dat ze sneller gaan) gaat dit niet op in de wet van Moore (die eigelijk meer een observatie is dan een wet, maar dit terzijde)

[aaquie]

Er is dus een niet-reactief, slecht ioniseerbaar medium nodig. Dan is helium of vacuum de enige oplossing.
Dus zullen we nu onmiddelijk moeten stoppen met het gebruiken van helium voor onzinnige dingen als ballonetjes. Enkele jaren geleden heeft de Amerikaanse regering de strategische voorraad in de uitverkoop gedaan, waardoor de prijs gekelderd is en het nu te pas en te onpas verspild wordt.
De hoeveelheid helium op aarde is beperkt en wordt alleen heel langzaam aangevuld door traag vervallend radioactief materiaal. Wanneer het in de atmosfeer vrijkomt verdwijnt het in no time in de ruimte.

[w-dev]

De hoeveelheid helium benodigd voor 1 chip zal bij atmosferische druk eerder in de orde van microgrammen dan grammen zijn.

Daarnaast ontgaat de reden om bij atmosferisch druk te blijven mij. Er is toch al een gasdichte seal nodig om de vervuiling door stikstof / zuurstof te voorkomen. Het moet dan toch ook mogelijk zijn om naar bijvoorbeeld 90% vacuüm te gaan en nog minder gas te gebruiken per chip.

Daarmee zal ook de performance van de chip verbeteren, de kans op een botsing met een helium atoom wordt nog kleiner. Je hebt helium dan eigenlijk alleen nog nodig om de chip void te purgen van andere gassen.

[laptopleon]

Gokje: Onder vacuüm zo'n chip fabriceren zal lastiger, dus duurder zijn dan op het moment van sealen een klein stootje helium er tegen blazen.

[somososan]

Ware het niet dat de hoeveelheid helium gebruikt wordt in deze chips hoogstwaarschijnlijk minimaal is, door het kleine volume van de chips en hoogstwaarschijnlijk ook door het gebruik van lage druk.

[mae-t.net]

Stoppen met helium voor balonnen is sowieso een goed idee. Dat scheelt weer het nodige plastic in de zee (what goes up, must come down) en dat is momenteel een fors milieuprobleem.

[martijnve]

Ik dacht dat moore's law over het aantal transistors ging en niet over de schakelsnelheid?

http://en.wikipedia.org/wiki/Moore's_law (link toegevoegd)

[Reactie gewijzigd door martijnve op 24 juli 2024 00:28]

[Spekkie88]

En daar gaat de GHz koorts weer
Zou toch wat zijn als we dan straks weer single core cpu's gaan zien die op 10 of zelfs 20GHz lopen...

[wootah]

Denk niet dat je weer terug wilt gaan naar single core processors. Ongeacht of je een applicatie gebruikt die single threaded is, het OS heeft ook nog andere processen en threads draaien. Als dat allemaal op 1 core moet draaien moet het OS weer veel meer context switches doen. En die switches kosten best wel wat tijd. Als je dat gedeeltelijk met hardware kan doen (meerdere cores of hyperthreading) heb je een stuk meer performance
Desalniettemin een mooi vooruitzicht

[Reactie gewijzigd door wootah op 24 juli 2024 00:28]

[Verwijderd]

Waarom dan niet 1 core op 10 ghz en 2 zuinigere core's rond 2 ghz voor de rest van het systeem. Ik vraag me af hoe dit invloed gaan hebben op Gpu's .

[ocwil]

Meh... Direct 20Ghz+ Quad core's met hyperthreading

[Striker_zelf]

Maar 20 GHz ? Met een werkende lab opstelling van 460GHz moet het toch al gauw richting 200GHz gaan...

[Graafvaag]

Niet echt, in 2001 zaten ze al op 210GHz met een Silicium transistor. Het wordt een heel ander verhaal wanneer er miljarden op één die zitten..

[Wobblier]

Juist. Het probleem is ook niet om die ene transistor in te terahertz te krijgen. Het probleem is om alle (miljoenen) tranistors op die package op diezelfde klok te krijgen.

Ken G6 (anandtech) legt het beter uit: http://forums.anandtech.c...p?p=36449884&postcount=13

Right. The problem is that all the parts of a CPU (or at the very least one core) have to receive a clock signal before a new clock signal can begin.

Here's a map of a Haswell chip. From that I estimate that each core is about 7mm by 3.5mm. Since all parts of the chip have to be synchronized, the longest dimension is more-or-less what matters. Let's assume a similar chip is created, which uses silicon photonics to receive a light pulse as a clock signal. (I'll ignore whether an LED can blink that fast.) Let's also assume that the light pulses are generated in the centers of the cores, and have to propagate to the farthest corners, about 4mm (4*10^-3 m) away. Light travels 3*10^8 m/s. A clock signal consists of a pulse followed by a non-pulse, so that halves the maximum speed. So that takes a little over 10^-11 s, and means the clock speed must be less than about 38 GHz. Under the very best conditions.

Pulses travel slower in copper than light through a vacuum. Silicon at the endpoints is probably still slower. Clock pulses also tend to follow more circuitous routes, such as a grid. Assuming a copper grid that starts in the middle of the core, that's about 16GHz in the very best case. If the pulse starts at one corner, it's more like 8GHz. (Say, that's getting close to real speeds, isn't it?)

See why we don't have 100GHz cores?

[Reactie gewijzigd door Wobblier op 24 juli 2024 00:28]

[robvanwijk]

Leuk verhaal, maar hij maakt één klein (cruciaal) denkfoutje: hij gaat er vanuit dat je het kloksignaal verspreidt via de kortst mogelijke route. Maar dat hoeft natuurlijk helemaal niet. Sterker nog, er is een eenvoudige standaard-oplossing voor dit probleem:

quote: http://en.wikipedia.org/wiki/H-tree

The H tree is commonly used in VLSI design as a clock distribution network for routing timing signals to all parts of a chip with equal propagation delays to each part.

Toegegeven, in de praktijk is het akelig lastig om je klok overal op exact hetzelfde moment aan te laten komen, maar je kunt de clock skew veel lager krijgen dan als je Ken's methode volgt.

[Foske76]

Hmja... het artikel legt het probleem goed uit maar gaat wel erg kort door de bocht: Van een Haswell chip hoeft niet de hele chip op dezelfde klok te draaien (want elke core heeft zijn eigen klok) en door je chip goed te layouten hoeft het niet erg te zijn dat je klok ergens later aankomt dan op een andere plek.

In het nederlands: De klok van moderne processoren gaat al zo snel dat de hoeveelheid tijd die het kost om de andere kant van de chip te bereiken al een probleem oplevert. Een bekende analogie is die van de bliksem: We denken in klokpulsen als in de lichtflitsen, die zie je in de wijde omtrek overal op hetzelfde moment. In de praktijk gedraagt een klokpuls zich meer als de donder: Hoe verder je weg staat, hoe langer het duurt voordat je hem krijgt.

Iemand die ver weg van het onweer staat reageert daardoor later dan iemand die er recht onder staat (voor de grapjassen: er van uit gaande dat hij niet gefrituurd wordt). Als de persoon die ver weg staat steeds een andere kleur vlag moet opsteken als hij de donder hoort, en de andere persoon bij elke donderslag moet kijken of de vlag er is, loopt je dus altijd een donderslag achter, want de persoon die moet kijken kijkt voordat de vlag verandert. Bij de eerste donderslag wordt er gekeken op het moment dat de andere persoon nog niks gedaan heeft.

[Vastloper]

Daarbij kan je in sommmige instanties zelfs de hele factor vertraging elimineren. Een klok puls heeft zijn waarde voor een bepaalde data lijn en daar kan je handig gebruik van maken. Als je namelijk de datalijnen en de klok exact dezelfde vertraging geeft door even lange sporen te maken, dan ziet de "ontvanger" altijd de goede data en kan hij op dezelfde hoge frequentie werken.

Om in de zelfde analogie te praten als een persoon de kleur van de vlag wisselt met dezelfde frequentie als de bliksem en hij zich op dezelfde afstand staat van de waarnemer dan zal hij als hij de kleuren in de goede volgorde zien of hij nu op 1 meter staat of op 1 lichtjaar. in een chip gaan de data en klok over hetzelfde medium.

Sterker nog in de meeste dataprotocollen tegenwoordig word data en klok gecombineerd op fysiek hetzelfde lijntje, pci express sata usb enzovoorts. Dat is de hele reden dat er zulke hoge frequenties en dus snelheden worden gehaald. Deze principes kunnen deels of zelfs geheel ook binnen een chip worden toegepast.

Ofterwijl vertraging in signaal kan middels goed ontwerpen voor een groot deel als factor voor de maximale frequentie worden gereduceert. Als je een goed visueel voorbeeld wilt zien hoe het bij brede parallele databussen ook word voorkomen zou je eens kunnen kijken naar de vaak kronkelende lijnen van je processor naar het werkgeheugen op je moederbord, waar ze clock screw (zoals dit heet) mee oplossen. voorbeeld

Veel van de ontwerp tools voor pcb, maar waarschijnlijk ook zeker voor ASICs kunnen dit al automatisch voor je oplossen doormiddel van design constraints mee geven aan de signalen/chips/transistors.

[Reactie gewijzigd door Vastloper op 24 juli 2024 00:28]

[lezzmeister]

Is het woord niet clock skew?

[air2]

Deze gast heeft het toch ook juist over de core en niet over de volledige chip? Of ben ik nu abuis?

[Sissors]

Hoewel het een goed punt is, is het toch echt geen fundamentele snelheidsbeperking van een chip. Een core zal op één klok draaien, maar die hoeft niet op hetzelfde moment overal in die core aan te komen. Zolang je maar rekening houdt met de delays is er geen enkel probleem.

Als je bijvoorbeeld een string flipflops hebt, die data moeten doorschuiven op een klok-flank. Het kan daarbij een probleem zijn wanneer een flip-flop wat te laat is, waardoor degene voor hem al nieuwe data op de uitgang heeft staan, en hij die doorschuift ipv de oude, wat de bedoeling was. Simpele oplossing: Laat de klok in tegengestelde richting van de data langs die string lopen. Dan kan dat nooit gebeuren, omdat degene aan het einde altijd hun klok eerder krijgen dan degene aan het begin.

Klok delays is iets waar je zeker rekening mee moet houden, maar het is absoluut geen harde eis die de maximum frequentie bepaald. Al vertraagd het wel de snelheid waarmee je CPU werkt, als hij voorbeeld door de vertraging langer moet wachten op data die hij nodig heeft voor een berekening. Maar dus niet de klokfrequentie.

[Nicked]

Uiteraard is het wachten op optische chips, 3D layout van de chips (= minder grote afstanden binnen chip) etc, waardoor het snelheid nog wel iets hoger kan. Zo zou je dus best die 38 GHz kunnen gaan benaderen.
Maar ik vraag me sowieso af wat voor ontwikkelingen er allemaal nog komen op computer gebied.

[Graafvaag]

En dan is er nog de ontwerpuitdaging die je ook tegenkomt als je ooit iets met FPGA's gedaan hebt; door de propagation delay in logic gates is er een beperking aan de hoeveelheid logica die je tussen twee flipflops op een bepaalde synchrone clock kan stoppen.

Flipflop 1 -> Logica -> Flipflop 2

Als de logica er 500 picoseconden over doet om een steady state te bereiken nadat beide flipflops geklokt zijn, dan mag de volgende klokflank niet eerder dan 500ps daarna komen, omdat er anders een ongedefinieerd bit ingeklokt zou kunnen worden. De kloksnelheid kan hierdoor niet hoger zijn dan 2GHz.

De langste propagation delay binnen een klokdomein beperkt je gehele systeem.

[ocwil]

Jha tuurlijk, maar Moore's Law betekent dat ze rustig aan opbouwen hé niet gelijk met die max komen. is ook slecht voor de economie. ^^

[Sissors]

Een standaard silicium transistor gaat ook heel wat sneller dan dat de kloksnelheid van je CPU is (oa omdat er nou eenmaal een hoop transistoren in het kritische pad zitten), en je hebt ook nog tegenwoordig sowieso wat exotischere transistoren die significant sneller kunnen dan je standaard mosfetje, echter ze zijn niet geschikt om een complete CPU uit te maken.

Wanneer dit succesvol verder ontwikkeld kan zijn verwacht ik ook zoals ze in het artikel ook noemen meer toepassingen voor terahertz imaging, mogelijk extreme korte afstands communicatie (contactless connectors enzo), etc. En niet in een CPU.

[Foske76]

Nee, dat gaat het dus niet. Het gaat namelijk niet om de schakelsnelheid van een transistor, maar om de schakelsnelheid van een keten van transistoren. Dat bepaalt de klokfrequentie. Processoren bestaan uit logische poorten, die elk een of meer transistoren achter elkaar en boven elkaar bevatten. Binnen een klokslag moet je de hele keten van logische poorten door. Het langste pad door die poorten wordt het kritische pad genoemd en dat bepaalt de maximale frequentie.

Je kan de lengte van het pad verkorten door zogenaamde pipelining. Je kan de GHz race heel lang oprekken door de pipeline te verdiepen, of de keten in meer delen te spitsen. Dit heeft echter ook nadelige invloeden, zo kan het bijvoorbeeld twintig klokslagen gaan duren om iets simpels als een optelling te maken. Daarom zie je dat moderne processoren niet meer schalen in frequentie, maar toch nog wel wat sneller worden: De pipelines worden ondieper (en tweehonder andere verbeteringen)

[gjmi]

Euh, allemaal mooi bedacht, maar hogere kloksnelheden kosten ook meer vermogen (hogere spanning nodig) en dat zal sterk bijdragen aan de maximale klok aangezien we geen 1000 Watt processoren willen.

[DropjesLover]

Ik zou hier echt heel blij worden van een CPU met slechts 1 of 2 snelle cores. Van mn i7-6core gebruik ik het gros van de tijd maar 1, omdat mn applicatie (3D CAD software, Inventor, maar ook anderen) maar 1 core gebruik
Heels soms 2, als een tekening geopend wordt, en bij FEM/FEA gaan wel alle registers open, maar dat gebruik ik zeer zelden... Grote assemblies openen duurt rustig minuten en dat doe ik dagelijks.

Liever snelle core(s) dan veel voor mij.

[Reactie gewijzigd door DropjesLover op 24 juli 2024 00:28]

[kazaamjt]

Voor mij persoonlijk is multithread beter.
Ik heb verschillende programma's open die elk een core gebruiken, maar van mijn 8 threads zijn er toch meestal minder dan 2 Idle.
Hangt af ven je situatie?
Maar waarom keizen? Ik zeg meteen 4 van 460GHz cores in een cpu.
Best of both worlds?

[DeLuXo]

Ik vraag me af waar jij je i7 "octacore" vandaan hebt.

[DropjesLover]

Ohja, hexacore met hyperthreading. Vind dat altijd wat misleidend in taakbeheer.
Ik ben ook maar op mn werk

[Reactie gewijzigd door DropjesLover op 24 juli 2024 00:28]

[DeLuXo]

Je zorgde er wel voor dat ik even een bezoekje bracht aan Google.

[supersnathan94]

Quadcore neem ik aan anders is het een 12-core. Maar goed dat terzijde. Ik heb ook liever 2 cores die ontiegelijk snel zijn dan 20 cores die minder snel zijn. Tuurlijk voor bepaalde toepassingen is het andersom handiger, maar voor huis tuin en keuken gebruik is 2 cores met hoge klok veel handiger.

[Berkeley]

En daarna krijgen we weer cpu's met 50Cores, en komen we er achter dat beiden te overdreven zijn, en dat we niks zijn opgeschoten.

Ik zeg dus niet dat ik dit geen goede ontwikkeling vindt!

[Verwijderd]

Lijkt dit nu op het principe van de oeroude vacuumlamp ?

[Diamondo25]

De transistors werken op een deels vergelijkbare manier als de vacuümbuizen. de voorlopers van moderne transistors: ze hebben echter niet de nadelen van die buizen. Zo hoeven ze niet op te warmen omdat er geen warme kathode nodig is. Bovendien hoeft in het kanaal helemaal geen vacuüm te heersen: over de kleine afstanden is zo'n vacuüm helemaal niet nodig maar kan helium gebruikt worden

_{hoe quote ik stukken tekst eigenlijk?}

[Reactie gewijzigd door Diamondo25 op 24 juli 2024 00:28]

[supersnathan94]

[ q ] Stuk tekst [ / q ]

Maar je hebt gelijk. Het staat letterlijk in het artikel.

[Verwijderd]

Kun je straks wel hele kleine 'buizenversterkers' bouwen.
Of nog beter analoge synths met deze nieuwe torren.

[Verwijderd]

Mag ik aannemen dat de afval/stijg flank van dit soort "buizen" al te steil is voor een "warmer" analoog geluid?

[mae-t.net]

Ik neem aan dat je doelt op de stijlheid en lineariteit, maar het wat ongelukkig verwoordt. Dan heb je inderdaad gelijk: Dat is bij de meeste traditionele MOSFET's al een lastig punt als je ze analoog probeert te gebruiken.

Voor klasse D zullen deze vacuum-FET's in principe prima geschikt zijn, als ze het vermogen aan zouden kunnen (dat zal voorlopig niet het geval zijn gezien de spanningsval van 10V en de bijbehorende hoge inwendige weerstand).

@wouter veltmaat hieronder: dewattes?!? is dat nou oprechte wartaal of gewoon een wazig grapje?

[Reactie gewijzigd door mae-t.net op 24 juli 2024 00:28]

[Verwijderd]

Dat lijkt mij juist in het voordeel. Dan krijg je een redelijke onvoorspelbare versterking. En daar krijg je mooi dik geluid van. Tenminste als het niet te onvoorspelbaar is. Misschien dat je er nog flink wat stabilisatie elektronica omheen moet plakken maar met dat helium wil je het toch in een IC verpakking stoppen.

[Qualixo]

Elke ontwikkeling is beter dan achterstand

[tedades]

"De transistors werken op een deels vergelijkbare manier als de vacuümbuizen."
Kunnen we deze dan ook weer gebruiken als mini-buizenversterker?

[supersnathan94]

Dat is wel een mooie bijkomstigheid dan. Een transistor versterkertje met de kwaliteit van een Buis, maar zonder de opwarmtijden, lompheid en breekbaarheid.

[KC Boutiette]

Hoe schakelt zo'n vacuumtransistor? Ik heb het bronartikel gelezen, maar daar wordt het ook niet duidelijker op.

Zoals ik het begrijp: er staat een spanning (E-veld) van de source naar de drain door het 'vacuum' (helium), maar die is niet groot genoeg om een stroom te laten lopen. Dan introduceer je een spanning op de gate dus een extra E-veld loodrecht op het eerste, en dan is het resulterende E-veld wel groot genoeg om electronen uit de source te trekken?

Veel meer kan ik niet verzinnen, maar als iemand me kan verhelderen graag

[FreezeXJ]

Het probleem is niet de schakelsnelheid an sich, maar hoe goed groepen transistoren tegelijk kunnen schakelen. Daarbij heb je de standaard variatie tussen die dingen, en vooral: je klok. Hele delen van een CPU hebben nu al hun eigen lokale klok, omdat de algemene een tikkie te traag is. Even rekenen vertelt me dat een stroomsignaal (snelheid van het licht, optimistisch) maar bij 1 GHz komt je signaal tussen 2 kloktikken maar 30 cm, en als je dan nog een scherpe puls wilt overhouden nog veel minder ver. Ga je dat opschroeven naar 10 GHz dan hou je alleen nog maar rommel over, of je klokpuls gaat als een soort rollende golf over je chip, wat niet handig is als je dingen als caches wilt uitlezen, of synchroon iets wilt berekenen.

[supersnathan94]

in koper is het ongeveer: v=c/sqrt(permittivity) => 0.4c. dus lichtsnelheid is wel heel optimistisch. die 30CM houd je dan dus ongeveer 12-13 van over.