Хабрахабр

«Преодолевая» закон Мура: транзисторные технологии будущего

Говорим об альтернативах для кремния.


/ фото Laura Ockel Unsplash

Одна из причин — кремниевые транзисторы приближаются к своему технологическому пределу. Закон Мура, закономерность Деннарда и правило Куми теряют актуальность. Сегодня говорим о материалах, которые в перспективе могут заменить кремний и продлить действие трех законов, а значит — повысить эффективность процессоров и использующих их вычислительных систем (в том числе серверов в дата-центрах).

 Эту тему мы подробно разбирали в предыдущем посте.

Углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки представляют собой цилиндры, стенки которых состоят из одноатомного слоя углерода. Радиус атомов углерода меньше, чем у кремния, поэтому транзисторы на базе нанотрубок имеют большую подвижность электронов и плотность тока. В результате возрастает скорость работы транзистора и снижается его энергопотребление. По словам инженеров из Висконсинского университета в Мадисоне, производительность возрастает в пять раз.

Но лишь недавно ученым удалось обойти ряд технологических ограничений, чтобы создать достаточно эффективное устройство. Факт, что углеродные нанотрубки имеют лучшие характеристики, чем кремний известен давно — первые такие транзисторы появились более 20 лет назад. Три года назад физики из уже упомянутого университета в Висконсине представили прототип транзистора на базе нанотрубок, который обошел по характеристикам современные кремниевые устройства.

Но пока что технология не вышла за пределы лаборатории и о её массовом внедрении речи не идет. Одним из применений устройств на базе углеродных нанотрубок называют гибкую электронику.

Графеновые наноленты

Они представляют собой узкие полоски графена шириной в несколько десятков нанометров и считаются одним из основных материалов для создания транзисторов будущего. Главное свойство графеновой ленты — возможность ускорить протекающий по ней ток с помощью магнитного поля. При этом графен обладает в 250 раз большей электропроводимостью, чем кремний.

В то время как частота работы современных чипов установилась в пределах 4–5 гигагерц. По некоторым данным, процессоры на основе графеновых транзисторов смогут работать на частотах близких к терагерцу.

Первые прототипы графеновых транзисторов появились десять лет назад. С тех пор инженеры пытаются оптимизировать процессы «сборки» устройств на их основе. Совсем недавно были получены первые результаты — команда разработчиков из Кембриджского университета в марте объявила о запуске в производство первых графеновых микросхем. Инженеры говорят, что новое устройство способно ускорить работу электронных девайсов в десять раз.

Диоксид и селенид гафния

Диоксид гафния применяется в производстве микросхем еще с 2007 года. Из него делают изолирующий слой на транзисторном затворе. Но сегодня инженеры предлагают оптимизировать с его помощью работу кремниевых транзисторов.


/ фото Fritzchens Fritz PD

Если использовать такой материал при создании транзисторных затворов, можно значительно снизить влияние туннельного эффекта. В начале прошлого года ученые из Стэнфорда обнаружили, что если особым образом реорганизовать кристаллическую структуру диоксида гафния, то его электрическая постоянная (отвечает за способность среды пропускать электрическое поле) возрастет более, чем в четыре раза.

Их можно использовать в качестве эффективного изолятора для транзисторов вместо оксида кремния. Также американские ученые нашли способ уменьшить размеры современных транзисторов с помощью селенидов гафния и циркония. Это — показатель, определяющий энергопотребление транзистора. Селениды имеют значительно меньшую толщину (в три атома), сохраняя хорошую ширину запрещенной зоны. Инженерам уже удалось создать несколько работающих прототипов устройств на основе селенидов гафния и циркония.

Только после этого можно будет говорить о массовом производстве. Сейчас инженерам необходимо решить проблему с соединением таких транзисторов — разработать для них соответствующие контакты небольших размеров.

Дисульфид молибдена

Сам по себе сульфид молибдена довольно плохой полупроводник, который уступает по свойствам кремнию. Но группа физиков из университета Нотр-Дам обнаружила, что тонкие молибденовые пленки (толщиной в один атом) обладают уникальными качествами — транзисторы на их основе не пропускают ток в выключенном состоянии и требуют мало энергии на переключение. Это позволяет им работать при низких напряжениях.

Лоуренса в Беркли в 2016 году. Прототип молибденового транзистора разработали в лаборатории им. Инженеры говорят, что такие транзисторы помогут продлить действие закона Мура. Ширина устройства составляет всего один нанометр.

Также транзистор на основе дисульфида молибдена в прошлом году представили инженеры из южнокорейского университета. Ожидается, что технология найдёт применение в управляющих цепях OLED-дисплеев. Однако о массовом производстве подобных транзисторов пока говорить не приходится.

Получится ли реализовать подобные проекты, предстоит увидеть в будущем. Несмотря на это исследователи из Стэнфорда утверждают, что современную инфраструктуру по производству транзисторов можно с минимальными затратами перестроить на работу с «молибденовыми» устройствами.

О чем мы пишем в нашем Telegram-канале:

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть