Людская любознательность, напористость и прыть привела нашу цивилизацию к невиданным ранее благам электроники. Не будь мы от природы такими любознательными и шустрыми, как знать, возможно, до сих пор пользовались бы граммофонами, детекторными приёмниками и деревянными игрушками, а то и вовсе бы только спускались с деревьев. Даже самые смелые фантасты прошлого века не могли предвидеть столь стремительного развития компьютерных и полупроводниковых технологий, запуская в своих романах к далёким звёздам вполне продвинутые ионные и ядерные звездолёты с… громоздкими бортовыми "вычислителями" на лампах и перфолентах. Эх, да что уж там говорить, даже до идеи мобильной связи и Интернета никто из них толком не успел додуматься, скорость развития действительности оказалась гораздо динамичнее их сказок.
Двигаясь стремительно, за короткий срок можно успеть многое. А можно напротив – однажды порвать штаны. Или внезапно удариться об стену – чем быстрее скорость, тем больше шишка на лбу.
Совсем скоро на такую "стенку" рискует налететь наша современная электроника, основанная преимущественно на кремниевых полупроводниках. Размеры транзисторов – строительных кирпичиков микроэлектронной логики, с каждым годом уменьшаются и вот-вот приблизятся к пределу, двинуться за который не позволят уже законы физики. Закон Мура, утверждающий неминуемое удвоение количества транзисторов на кристалле каждые полтора-два года, пока что – точнее, с момента его открытия в 1965 году, сбоев не давал. Однако "бетонная стенка", об которую он ударится в ближайшее десятилетие, неумолима: при разработке 8-нм техпроцесса, эпоха которого начнётся примерно в 2017 году, учёным придётся оперировать затворами транзистора шириной всего 3(!) нм, то есть, 30 ангстрем, а это – представьте себе, чуть больше пяти атомов в кремниевой кристаллической решётке! Для сравнения: нынешний сверхпрецизионный 32-нм техпроцесс оперирует затворами шириной 15-нм, то есть 150 ангстрем – "гигантские" расстояния по сравнению с мерками 8-нм техпроцесса. Уж не знаю, получится ли что-то с этими 8 нм на практике, но дальше уж точно финал, та самая "бетонная стенка".
Что ж, стенка так стенка. Человечество – народ многократно пуганный и не такими тупиками, а за одного пуганного, как известно, дают двух непуганых инопланетян :-). Задолго до предстоящего тупика учёные озаботились разработкой альтернативных путей дальнейшего развития электроники, как и всех остальных отраслей с популярной ныне приставкой "нано": биологии, медицины, материаловедения и так далее.
Путей дальнейшего развития, собственно говоря, несколько. Вспомните, например, ситуацию начала 2000-х годов, когда неудержимая "гонка гигагерцев" в стане производителей микропроцессоров натолкнулась на дальнейшую бессмысленность наращивания "голой" тактовой частоты чипов. Кончилось всё появлением широкого списка вспомогательных чипов, но главное – до разработчиков наконец-то дошло, что распараллеливать вычисления гораздо выгоднее, чем гнать частоты, усложнять безумно греющиеся модули предсказания ветвлений, удлинять конвейеры и увеличивать кэши хранения невостребованных результатов неудачных ветвлений. В результате уже сегодня не редкость 4-х и 6-ти ядерный чип, а дальше – как знать, со временем удвоение числа ядер на кристалле вполне может уложиться в выше упомянутый Закон Мура.
Другой вариант – поиск совершенно других материалов и принципов работы полупроводников. Представьте себе мир, в котором после изобретения парового двигателя не придумали ни бензинового/дизельного, ни электрического привода. То есть, человечество в своё время благополучно (не беспокоясь по этому поводу) пересело с паровых самодвижущихся повозок на бензиновые и дизельные, а в будущем так же легко и просто пересядет на электромобили. Как знать, возможно, в недалёком будущем кремниевая электроника так же станет элементом стим-панка, как ныне стали пароходы и ламповые радиолы, а мы будем пользоваться плеерами, компьютерами и (что там ещё к тому времени будет модно?) на фотонных, графеновых или ещё каких-то пока невыдуманных компонентах.
Третий путь – наиболее безумный и пока наименее реальный: расковырять атом на винтики, изучить их, и создавать транзисторы из кварков и элементарных частиц. Фантастический бред? Ну, как знать, видеозвонок по карманному мобильнику в любой район земного шара ещё четверть века назад казался не менее фантастическим бредом.
Собственно говоря, это была присказка, а сегодняшняя сказка только начинается. Из всего многообразия дальнейших путей развития электроники на обозримые 20 лет мы сегодня остановимся на, пожалуй, самом интересном – на попытках создания элементов электронных схем непосредственно из отдельных атомов. Для меня, "выросшего" на лампах и советских транзисторах величиной с добрый орех, честно говоря, такие рассуждения звучат не просто дико и невероятно, но даже в какой-то степени кощунственно. Однако глаза, как говорится, боятся, а руки делают.
На днях весь мир облетела сенсационная новость из Австралии: учёным из университета штата Новый Южный Уэльс (University of New South Wales) совместно с разработчиками из Центра технологий квантовых компьютеров (Centre for Quantum Computer Technology) при американском Университете Висконсина-Мэдисона (University of Wisconsin-Madison) удалось продемонстрировать рабочий образец транзистора, "собранного" всего из… семи атомов!
Чтобы удивить Вас, нет ни малейшего смысла переводить всё это в нанометры и ангстремы – нормальному человеку такие шкалы просто не с чем сопоставить, равно как и световые годы. Лучше приведу такую аналогию: современный процессор, будучи собран на таких "7-атомных" транзисторах, был бы как минимум на два порядка (т.е. в сто раз) меньше по площади кристалла. Имеется в виду именно крохотный кристалл процессора, а не тот "кирпич с выводами", который вы ставите в процессорный разъём. Или вот Вам ещё одна аналогия: при производстве чипов по ныне активно разрабатываемому 22-нм техпроцессу только один затвор транзистора имеет длину порядка 42 диаметров атома. Фактически, это прямая заявка на будущие 4-нм нормы техпроцесса.
Разумеется, в настоящее время и речи быть не может о производстве таких транзисторов или чипов на их основе в промышленных масштабах. Фактически, этот 7-атомный чип создан учёными "вручную", если хотите, кустарным способом. Однако сам факт возможности создания, и, главное, работоспособности такого прибора из 7 атомов стоит многого, тем более что стоящие изобретения всегда находят дорогу в производство через какое-то время.
По сути, принцип создания атомарных устройств - технология размещения отдельных атомов на подготовленной поверхности с помощью сканирующего туннельного микроскопа, существует как минимум два десятилетия. Много лет назад учёные из лабораторий компании IBM использовали сканирующий туннельный микроскоп для размещения на никелевой поверхности 35 атомов ксенона в виде аббревиатуры "IBM".
Более того, учёные разных мировых лабораторий уже не единожды рапортовали о создании транзистора из четырёх, и даже одного атома.
Однако результат австралийцев интересен тем, что впервые удалось использовать эту технологию для создания работающего образца "атомарного" транзистора.
Суть эксперимента заключалась в замене семи атомов в кристаллической решётке кремния семью атомами фосфора. Таким образом учёные решили продемонстрировать всему миру то, что уже сегодня имеются все возможности для манипуляции веществом на уровне отдельных атомов для создания каких угодно элементов электронной схемы.
Разумеется, монтировать "вручную" каждый атом на подложку в промышленных масштабах никто не собирается, но зато теперь можно вплотную заняться вопросами технической реализации массового "обустройства" транзисторов из отдельных атомов на подложке, а не ломать голову, будет ли такое устройство работоспособно в принципе.
Между тем - что не менее интересно, создание 7-атомного транзистора в лаборатории австралийских учёных является не чем иным, как "побочным эффектом" работ в рамках более грандиозного проекта – создания квантового компьютера. Сама по себе идея создания вычислительного устройства, исполняющего квантовые алгоритмы и позволяющего в теории легко преодолеть ряд некоторых ограничений классических компьютеров, заслуживает отдельной публикации, и позже мы обязательно вернёмся к этому вопросу. Но в рамках этой статьи нужно отметить тот факт, что в исследованиях австралийских учёных речь идёт создании квантового компьютера именно на твердотельной кремниевой базе.
Пожалуй, самый главный вывод, который можно сделать по итогам открытия австралийских учёных, будет очень прост: "Мы сделали это!" Человечество в очередной раз утёрло нос скептикам и отодвинуло неминуемую было смерть кремниевой электроники. Насколько? Полагаю, на приличный срок, ибо копаться в отдельных атомах, составляя из них как из кубиков разные сочетания и доводить всё это до финального производства – задача не на один десяток лет.
Кроме того, подозреваю, история электроники на этом витке повторится заново: опять первые "атомные чипы" будут работать на низкой частоте и пожирать прорву энергии ("прорву" - это по отношению к самим себе, по сравнению с современными чипами они изначально явно будут "хладными трупами"), потом всё это будет улучшаться и улучшаться до бесконечности.
А потом прилетят Визитёры и подарят нам Голубую Энергию. Или придут Злобные Боевые Роботы из другой галактики, напинают нам, и всем станет не до атомов. Поживём – увидим, но это уже совсем другая история.
Источник:
Spectroscopy of few-electron single-crystal silicon quantum dots
Обсудить данную тему можно в специальной ветке нашего форума.
