Первый взгляд на посткремниевую электронику 10.02.2009

Стремительное развитие полупроводниковой индустрии легко описывается известным законом Мура, сформулированным ещё в далёком 1965 г. и гласящим, что каждые два года количество компонентов интегральных схем будет удваиваться. С середины шестидесятых годов до наших дней закон Мура оставался справедливым, несмотря на множество скептических возгласов, - мол, ещё год-два, и темпы развития отрасли значительно снизятся.
Одновременно с усовершенствованием технологий изготовления интегральных микросхем велось усовершенствование и вычислительных систем их использующих, что вылилось в резкий рост производительности компьютеров, начиная от домашних и заканчивая кластерными системами. В свою очередь большие вычислительные возможности положительно сказались на научных исследованиях, особенно тех, что требуют обработки колоссальных объёмов данных.
Несмотря на справедливость закона Мура, уже в течение четвёртого десятка лет всё большее число специалистов указывает на скорое замедление темпов развития микроэлектроники. Постепенная миниатюризация компонентов и повышение точности оборудования позволяют формировать транзисторы размерами в десятки нанометров, и через несколько лет размеры элементов вплотную приблизятся к размеру атомов кремния. По оценкам специалистов, произойдет это уже к 2020 г., если развитие интегральных микросхем не затормозится ранее.
При этом масштабе кремний теряет столь ценные микроэлектронные свойства, и использование этого материала для создания привычных микросхем оказывается невозможным. В этом случае возможны два варианта развития событий - либо ищется альтернативный материал, обладающий нужными свойствами, либо развитие вычислительной техники на некоторое время приостанавливается. До создания кардинально новых систем, например, квантовых компьютеров.
Впрочем, есть и несколько иные пути модернизации интегральных микросхем, которые позволяют повысить их производительность и сделать более миниатюрными. Здесь стоит отметить интереснейшую и перспективную инновацию разработчиков Intel - трёхзатворный транзистор. Разумеется, затвор в данном случае единственный, однако он огибает канал транзистора, что приводит к лучшему управлению режимом работы компонента микросхемы и, как следствие, повышению её производительности и снижению потребляемой ей энергии. Согласно мнению специалистов, подобное ноу-хау будет применяться практически во всех микросхемах следующих поколениё, изготавливаемых по CMOS-процессу.
Однако производительность интегральной микросхемы зависит далеко не только от возможностей её основных составных частей, но ещё и от скорости передачи электрического сигнала между ними. Но вполне возможно повышение этого показателя до скорости света - за счёт интеграции на кристалл ещё и миниатюрных источников и приёмников оптического излучения. «Побочным эффектом» является возможность дальнейшей миниатюризации интегральных микросхем за счёт более плотного размещения её компонентов - это ещё некоторое время даст возможность исполнения закона Мура, причём без снижения размеров транзисторов.
Однако подобные усовершенствования - лишь временное решение основной проблемы: невозможности бесконечной миниатюризации кремниевых микросхем. И здесь на помощь разработчикам должны прийти альтернативные материалы, а одним из наиболее вероятных кандидатов на замену кремнию является графен - структура из атомов углерода толщиной всего в один атом. Уникальные свойства графена таковы, что электроны свободно перемещаются вдоль слоя графена не испытывая взаимодействий с атомами, как это происходит в привычных нам трёхмерных структурах. Таким образом, «лист» графена можно рассматривать в качестве идеального канала транзистора, причём его толщина составляет не десятки нанометров, как сегодня, а имеет толщину всего в один атом.
Таким образом, сегодня мы стоим на пороге довольно интересной эры - перехода от традиционной полупроводниковой кремниевой микроэлектроники к более совершенным решениям, отличающимся высочайшей производительностью, рекордной миниатюризацией и экономичностью. Впрочем, для достижения столь многообещающих результатов ведущим исследовательским лабораториям и производителям интегральных микросхем придётся вложить огромные инвестиции в разработку новейших технологий. Что же касается закона Мура, то вполне возможно, что его полномочия будут сложены отнюдь не в 2020 г., к которому нам обещают полный уход от кремния.
newscientist.com