Компьютерра - Журнал Компьютерра №771

Удивительные свойства бора объясняются его специфической электронной структурой, в которой три валентных электрона, с одной стороны, придают этому элементу свойства металлов, а с другой - достаточно сильно локализованы, вследствие чего бор тяготеет к диэлектрикам. Эта особенность и способствует его удивительным превращениям. Тонкий баланс между металлом и диэлектриком легко изменить, меняя давление, температуру или добавляя немного примесей.

Последствия таких изменений были проверены в тонких компьютерных расчетах, предсказавших существование новой стабильной фазы бора при давлении от 190 до 890 тысяч атмосфер и температуре более полутора тысяч градусов. И эти предсказания блестяще подтвердились в экспериментах.

До сих пор все известные структуры бора состояли из кластеров по 12 атомов бора, внутри которых атомы соединяются металлической связью, а сами кластеры - ковалентной, что и обуславливает диэлектрические свойства бора. В новой фазе в элементарной ячейке кристалла находится 28 атомов. Фаза состоит из обычных кластеров B12 и пар B2, которые образуют нечто похожее на ионный кристалл, подобный обычной поваренной соли. По сути дела, из единственного элемента, коим выступает бор, удалось получить полноценное соединение, в котором многое определяется именно обменом зарядами, но не между различными атомами, а между кластерами B12 и парами B2.

Инженеры корпорации Intel вместе с сотрудниками Ари-зонского университета и компании Nextreme Thermal Solutions встроили в чип эффективный термоэлектрический кулер. Опытный образец устройства позволяет охлаждать горячие области процессора примерно на 15 градусов.

Не секрет, что чем мощнее становятся чипы, тем больше проблем возникает с их охлаждением. А от рабочей температуры процессоров существенно зависит надежность и производительность компьютеров. В фотонных устройствах эти проблемы стоят еще острее: если отдельные области обычного электронного чипа способны выделять больше трехсот ватт на квадратный сантиметр поверхности, то у полупроводниковых лазеров этот показатель может быть в три раза выше. Не лучше обстоят дела и в чипах-лабораториях для химических и биологических анализов.

Сегодня процессоры охлаждаются с помощью внешних устройств вроде традиционных радиаторов и вентиляторов. Но на самом деле тепловыделение чипа крайне неравномерно и сосредоточено в так называемых горячих точках. Кроме того, оно быстро изменяется со временем в зависимости от характера решаемых задач. Поэтому медленное равномерное охлаждение оказывается неэффективным. Достаточно сказать, что в современных центрах обработки данных на охлаждение тратится энергия, сопоставимая с той, что используется для самих вычислений. Но если охлаждать чип только там, где это действительно нужно, то затраты энергии можно существенно снизить. Для этого кулер придется встроить прямо в чип над возможными горячими точками и включать его только в определенные моменты.

Однако воплотить эту очевидную схему в жизнь не так просто, даже несмотря на постоянное совершенствование термоэлектрических преобразователей и создание качественных нанокомпозитов. Кулер нелегко вписать в конструкцию обычного процессора, а коренным образом менять технологию упаковки чипов слишком накладно. В новых экспериментах удалось изготовить тонкопленочный термоэлектрический кулер на основе наномассива из теллурида висмута и встроить его в тестовый чип над горячей точкой размером 7х7 мм. Устройство поместили между чипом и медной пластиной обычного распределителя тепла. Эксперименты показали, что, даже не будучи включенным, кулер снижал температуру горячей точки на семь градусов. А если через него пропускали ток в три ампера, температура снижалась на пятнадцать градусов. И это уже отличный результат.

К сожалению, новая конструкция еще далека от требований массового производства. У кулеров наблюдается большой разброс параметров, да и слишком велики потери на контактных термических сопротивлениях, качество которых быстро деградирует. Поэтому ученым еще есть над чем поработать, и о коммерциализации новой технологии речь пока не идет. ГА

Новый счетчик спин-поляризованных электронов изготовили в Брауншвейгской лаборатории стандартов. Устройство обещает решить старую проблему квантового эталона тока и стать идеальным источником электронов для квантовых компьютеров и спинтроники.

Ученые давно пытаются увязать эталон силы тока с самым точным на сегодня эталоном времени и частоты. Это можно сделать, просто подсчитав количество электронов, проходящее по проводнику. Для этих целей логично использовать квантовый туннельный эффект, при котором электроны по одному перескакивают потенциальный барьер из диэлектрика между двумя проводниками. К сожалению, на такой перескок нужно время, и обычный туннельный переход перестает надежно работать на частоте выше десяти мегагерц. Ток при этом получается слишком малым для использования на практике. В прошлом году немецкие ученые вместе с коллегами из Кембриджа опробовали идею нового квантового эталона тока. В нем используется квантовая полупроводниковая точка, в которую помещается лишь один электрон, и осциллирующий туннельный барьер. За счет снижения высоты барьера электрон перескакивает его быстрее, и устройство может работать на частоте до трех гигагерц. Ток получается достаточной силы, но, увы, такой счетчик ошибается примерно один раз на каждые десять тысяч отсчетов. Подобная погрешность неприемлема - ее требуется снизить хотя бы в тысячу раз.

В новых экспериментах похожее устройство на основе гетероструктуры из арсенида галлия и арсенида галлия-алюминия поместили в сильное магнитное поле. Конструкция состоит из полупроводниковой квантовой точки диаметром 250 нм, которая отделена диэлектрическими зазорами шириной по 100 нм от двух тонких металлических проводников шириной 700 нм. Над зазорами располагаются два электрода, напряжение на которых определяет высоту потенциальных барьеров. На один из них подается постоянное, а на другой переменное напряжение. Электроны туннелируют в квантовую точку по одному в тот момент цикла, когда высота потенциального барьера минимальна, а затем туннелируют из точки через второй барьер.

Оказалось, что в сильном магнитном поле более трех тесла вероятность ошибки туннелирования снижается на два порядка и продолжает уменьшаться при увеличении напряженности поля. При этом спины электронов, прошедших через устройство, оказываются ориентированными в одном направлении, что востребовано в спинтронике. Кроме того, если параметры квантовой точки изменить так, чтобы в нее попадало строго по два электрона, то они окажутся запутанными.