Журнал Compass #14
Журнал Compass #14

САМООРГАНИЗУЮЩИЕСЯ МИКРОСХЕМЫ Необходимость найти замену кремнию выдвигает на передний план углеродные нанотрубки

Технология изготовления углеродных нанотрубок обещает стать полноценной заменой кремнию в производстве полупроводниковых микросхем, но есть и иные претенденты на замену. По мере приближения кремния к своему физическому пределу растет интерес к альтернативным решениям, а инвесторы во всем мире оценивают шансы каждого участника.

Cоктября 2012 года, когда группа исследователей из IBM объявила об успешном создании полупроводниковых схем на основе углеродных нанотрубок (УНТ), приверженцы высоких технологий стали отсчитывать дни до окончания царствия кремния. Тем не менее, промышленности и инвестиционным аналитикам предстоит нелегкая задача по выбору явного победителя гонки на право называться преемником кремния.

«Никто не отрицает очевидных перспектив нанотрубок», - сказал Палави Мадакасира, возглавляющий отдел по исследованию энергетической электроники в бостонской глобальной аналитической компании Lux Research, занимающейся в основном новейшими технологиями. «Кремний однозначно близок к пределу своих возможностей.

Нанотехнология представляет собой широкий сегмент промышленности, включающий в себя нанотрубки и прочие наноматериалы.Неизменно растущие инвестиции в нанотехнологии вызывают немалый интерес. По оценкам Lux Research, глобальные продажи изделий, содержащих отдельные нанотехнологические компоненты, к 2015 году достигнут отметки $2,4 триллионов. Во всем мире государственные инвестиции в нанотехнологии являются приоритетным направлением. Об этом говорит лондонский аналитик из компании Cientifica, специализирующейся на нанотехнологиях, новых материалах, медико-биологических науках и «больших массивах данных». Как удалось выяснить компании Cientifica, в сфере финансирования нанотехнологий лидируют США и Япония, далее следуют Европейский торговый альянс (ENTA), Китай, Сингапур, Южная Корея и Тайвань.

НОВОЕ ПОКОЛЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Кремний дешев, общедоступен, с ним легко работать, поэтому за последние полвека этот материал стал сердцем цифрового мира. С 1965 года, когда один из основателей Intel Гордон Мур озвучил «закон Мура», согласно которому количество транзисторов в составе одного кремниевого чипа будет удваиваться каждые 18-24 месяцев, вычислительная отрасль не перестает удивлять весь мир и саму себя, неукоснительно соблюдая указанный закон. Транзисторы настолько уменьшились в размерах, что, по сути, приближаются к атомарной градации.

В то время как размер транзисторов беспрестанно уменьшается, токопроводящая способность кремния в таком крошечном измерении приближается к крайнему пределу. Современным транзисторам для изменения бита с 0 на 1 нужно около 1 вольта. Переключение связано с нагреванием, а тепло ограничивает плотность размещения структур на чипе. Именно по этой причине тактовая частота – время, необходимое кремниевому транзистору для переключения с 1 на 0, достигла максимальной отметки еще 10 лет назад.

В целях компенсации застывшей тактовой частоты конструкторы разработали параллельные вычисления,как например, «четырехъядерные» смартфоны, у которых за разделение и обработку задач отвечает сразу четыре процессора. Эксперты единодушны в том, что вскоре кремний достигнет своего предела, отсюда и воодушевление вокруг новостей от IBM в журнале Nature Nanotechnology, где подтверждается практическая реализуемость использования углеродных нанотрубок вместо кремния.

Рабочая группа IBM в исследовательском центре Т.Дж. Уотсона в Нью-Йорке, США впервые смогла точно разместить УНТ в канавках, вытравленных на поверхности кремниевой пластины, что позволило создать чипы более чем с 10 000 рабочих транзисторов. Этот показатель не особо впечатляет, учитывая, что современные кремниевые чипы могут содержать до 1 миллиарда транзисторов, т.е. в 100 000 больше, чем у IBM с ее УНТ. Однако это доказывает, что нанотрубки можно использовать в микросхемах, т.е. в перспективе процессоры могут стать меньше, эффективнее в плане энергопотребления и выработки тепла, поскольку УНТ проводят электричество с меньшим сопротивлением, чем кремний.

«Сейчас это главная и наиболее продвинутая альтернатива кремнию », - сказал Уилфрид Хенч, руководитель работ по физике и созданию материалов для логических схем и систем связи в компании IBM, который, по собственным словам «определяет направление работ ведущих специалистов по разработке того, что в конечном итоге можно будет превратить в практическую технологию».

Микроскопическая сетка УНТ формируются путем сворачивания листа отдельных атомов углерода, размещенных в гексагональной матрице, с получением структуры, напоминающей микроскопическую сетку из проволоки. УНТ обладают впечатляющими полупроводниковыми свойствами и эффективно переносят электроны, однако до сих пор проблема сводилась к организации трубок в виде правильной микросхемы на поверхности чипа.
Группа исследователей из IBM разработала химический процесс «самосборки», ставший первым успехом в деле организации трубок в виде заранее определенного рисунка на чипе.

При 10 000 рабочих транзисторов IBM удалось создать функциональный чип с плотностью углеродных нанотрубок 1 миллиард на квадратный сантиметр. Несмотря на недостижимость на текущем этапе результата, свойственного традиционному кремнию, он в 100 раз превосходит любые прежние попытки, что заставляет с оптимизмом верить в возможность замены кремния в ближайшей перспективе. «Если звезды сложатся, как надо», - сказал Хенч, - «мы получим вычислительные блоки с потрясающей энергоэффективностью». Пока что IBM занимается повышением чистоты углеродных нанотрубок в исходном материале, чтобы оптимизировать его полупроводниковые свойства и разработать методологию для проверки на чистоту. Требования к чистоте материала составляют одну металлическую УНТ на несколько сотен тысяч УНТ в составе микросхемы, и в этом пока основная загвоздка. «Не так сложно построить устройства и измерить их характеристики», - сказал Хенч. «Гораздо сложнее и дольше измерять несколько миллионов устройств, но иначе не добиться нужного показателя чистоты. Хорошо бы придумать простой механизм отбраковки, но такого на настоящий момент не существует».

Помимо прочего рабочей группе предстоит довести до ума точность размещения нанотрубок. Хенч ставит своей целью к 2020 году разработать новую технологию для внедрения в состав наносистем.

БОРЬБА ЗА ПРАВО НАЗЫВАТЬСЯ ПРЕЕМНИКОМ КРЕМНИЯ

Невзирая на обстоятельства, говорить о закате кремния на рынке электроники рановато. Транзисторы продолжают уменьшаться в размерах, а производители готовы к выпуску еще нескольких поколений кремниевых чипов. «Кремниевые технологии никуда не делись», - сказал Хенч. «Они продолжат развиваться».

Дэвид Кэрролл, директор Центра нанотехнологий и молекулярных материалов при Университете Уэйк Форест, Уинстон-Сейлем, Северная Каролина, США, аплодирует научным достижениям IBM, однако достаточно сдержан в ожиданиях. «Цель сама по себе превосходная, однако, сделать для ее достижения еще предстоит очень многое», - сказал Кэрролл. По его прогнозу, чипы на базе нанотрубок будут доступны на рынке не раньше, чем через несколько десятков лет, даже при условии решения всех технических проблем.

Со слов Кэрролла, УНТ могут оказаться не первой из коммерчески доступных альтернатив для кремния. На состоявшейся в 2013 году престижной Зимней школе в Кирхберге нанотрубки даже не упоминались. Вместо них на смену выдвигался новый «суперматериал» графен. Среди прочих интригующих вариантов – кремниевая фотоника, которая позволяет передавать информацию при помощи света. Одновременно с этим ведется разработка ДНК-компьютеров, в которых задействованы множество различных молекул ДНК для решения специализированных задач. Ученые продолжают работать и над квантовыми вычислениями,которые Эйнштейн окрестил «неосязаемой» наукой.

В то же время Мадакасира, аналитик из Lux Research, восторгается нитридом галлия, твердым и стабильным материалом с высокой теплопроводностью и теплоемкостью, который используется в светодиодах с 1990 года.

Привлекательный выбор
С миниатюризацией кремниевых технологий расширяется и спектр новых приложений. Кэрролл рассказывает об исследовании органических устройств по восстановлению человеческих органов, а также о нейронных сетях, которые при помощи импульсов мозга позволяют управлять протезами и даже набором с клавиатуры. Известно, что Центр нанотехнологий, где трудится Кэрролл, недавно объявил о создании новой ткани, способной вырабатывать электричество из тепла и движений человеческого тела.

Но еще больше, чем УНТ, участников рынка привлекает факт наличия разных вариантов. «Выказанная озабоченность перерождается в потребность рынка в новом материале», - сказал Кэрролл. «На самом деле, и это лишь часть картины. На самом деле, стоит говорить о стремлении к дальнейшему развитию электронных приложений».

автор статьи Dan Headrick Вернуться к началу страницы