Американски учени намериха алтернатива на кварцовия генератор

Транзисторите в микропроцесора могат да играят ролята и на тактов генератор
(илюстрация: Second Bay Studios\purdue.edu)

Изследователи от катедрата по електротехника и компютърно инженерство в университета Пърдю (Уест Лафайет, Индиана) предложиха да превърнат част от FinFET транзисторите в микропроцесора в тактов генератор, който да замени класическия кварцов генератор.

В момента САЩ влагат огромни средства за възраждане на своята полупроводникова индустрия. Фабриките растат като гъби след дъжд, но въпреки това не могат да задоволят всички нужди на необятния пазар за микроелектроника, най-малкото заради зависимостта си от вноса на суровини.

Американски учени работят върху алтернатива на един от най-важните елементи за съвременната електроника – тактовите генератори, които са необходими за работата на сложни системи и се произвеждат отделно от контролерите и процесорите. Изследователите от университета Пърдю предлагат за тази цел да се използват транзисторите в процесора.

„Във всеки елемент на високопроизводителната електроника се използват FinFETs [транзистори]“, казва Дана Вайнщайн, професор в университета и един от авторите на разработката. „Интегрирането на тези функции [тактов генератор в чипа] разширява възможностите на нашата микроелектроника отвъд обикновените процесори“.

„Ако технологията се промени, ние ще можем да се адаптираме, но ще продължим напред с интегрирана микропроцесорна система”, допълва Вайнщайн. С други думи, докато технологията FinFET с вертикални транзисторни канали се използва за производство на чипове, те ще могат да носят и вградени тактови генератори.

Тактовите генератори са необходими за синхронизиране на различни елементи в компютърната система – честотата на генератора се използва като референтна. Нищо няма да работи без тактов генератор.

Традиционно, тактовите генератори използват кварцови резонатори и следователно е невъзможно да ги интегрирате просто така в чипа. Наскоро се появиха интегрирани и настройваеми генератори, базирани на микроелектромеханични схеми (MEMS), но традиционните кварцови устройства все още са незаменими.

Предложението на американски учени е много интересно и ще спести средства и време. Идеята с вградения клок-генератор е следната. FinFET транзисторите могат не само да превключват (да се отварят и затварят), но и да работят в режим на задържане на енергия – като вид кондензатор, което ще бъде улеснено от сравнително голямо вертикално ребро на транзисторния канал. Учените избрали такъв режим на превключване на съседни транзистори, че те последователно  създавали физическо налягане върху диелектричния филм (изолатора) между канала (реброто) и гейта.

„Ние компресираме слоевете между гейта и полупроводника, като натискаме и издърпваме тази тънка област между гейта и реброто“, поясняват изследователите. „Правим това последователно на съседни транзистори – компресираме единия, разтягаме другия – създавайки странични вибрации в устройството“.

Двойка FinFET транзистори, работещи по този начин, започват да превключват при определена резонансна честота, превръщайки се всъщност в интегриран резонатор. Но още по-интересно е как честотата на акустичните вибрации се превръща в електронен сигнал. Трептенията се предават физически на други съседни FinFET транзистори, което се отразява в синхронна промяна на токовите им параметри. Обработката и усилването на такъв сигнал създава тактов генератор с превъзходна производителност.

„Ще имате един чип, който прави всичко, вместо няколко чипа, няколко производствени метода и няколко комплекта материали, които трябва да бъдат интегрирани – често в чужбина“, обобщава Дана Уайнщайн. „Америка трябва да развие своите възможности за производство на чипове и подобно разработка решава много проблеми в областта на доставките, националната сигурност и безопасността на оборудването“.

В допълнение, използването на вградени тактови генератори ще създаде трудности за хакерите, които искат да атакуват блока на тактовия генератор чрез редица странични канали (времеви атаки с използване на закъснения). Сравнително лесно е да се извърши такава атака срещу външен клок-генератор, докато ще е просто невъзможно да се стигне до интегрирания в чипа генератор.