«Преодолевая» закон Мура: транзисторные технологии будущего +16



Говорим об альтернативах для кремния.


/ фото Laura Ockel Unsplash

Закон Мура, закономерность Деннарда и правило Куми теряют актуальность. Одна из причин — кремниевые транзисторы приближаются к своему технологическому пределу. Эту тему мы подробно разбирали в предыдущем посте. 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).
?

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.

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

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

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.

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

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

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. Если использовать такой материал при создании транзисторных затворов, можно значительно снизить влияние туннельного эффекта.

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

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

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.

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

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.

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



О чем мы пишем в нашем Telegram-канале:

Вы можете помочь и перевести немного средств на развитие сайта



Комментарии (13):

  1. REPISOT
    /#20274526

    Одна из причин — кремниевые транзисторы приближаются к своему технологическому пределу
    Ну и что? Сейчас в один чип пихают CPU, память, видюху и мосты… Число транзисторов растет. Вместе с площадью. Все норм.

    • raamid
      /#20274662 / +1

      Проблема не в том, чтобы это все «запихнуть». Можно и триллионы транзисторов разместить в одной микросхеме (несколько кристаллов в одном корпусе). Пробема в том, чтобы эффективно отводить тепло от этой печки. И вот тут уменьшение техпроцесса реально помогало.

      • MikeVentris
        /#20274934

        Стоит уточнить, что это не уменьшение техпроцесса помогало: с меньшей площади наоборот тепло снимать сложнее. Помогал рост энергоэффективности, которая в последнее время растет не так хорошо, как раньше, за счет различных эффектов снижающих эффективность малых техпроцессов.

        • GudVVinS
          /#20275328

          Стоит уточнить, что как раз уменьшение тех процесса помогает повышению энергоэффективности

          • dMac
            /#20276900

            Мсье не слышали о туннельных эффектах?

            • GudVVinS
              /#20277066

              Не слишком силен в этих терминах, но насколько я понимаю, на границе нескольких нм эл-во будет проходить сквозь диэлектрик. Мб я не прав, но я и не про это писал. В целом все предыдущие годы снижение тех процесса повышало энергоэффективность.
              Не понимаю, как это относится к моему прошлому коменту

              • dMac
                /#20280546

                эл-во будет проходить сквозь диэлектрик.
                таким образом, общий ток потребления вырастет, энергоэффективность снизится

                • GudVVinS
                  /#20285414

                  еще раз — цитирую
                  MikeVentris
                  13 июня 2019 в 01:18
                  Стоит уточнить, что это не уменьшение техпроцесса помогало: с меньшей площади наоборот тепло снимать сложнее

                  GudVVinS
                  13 июня 2019 в 08:22
                  Стоит уточнить, что как раз уменьшение тех процесса помогает повышению энергоэффективности

                  Я понимаю, что сейчас дошли до порога, когда уменьшение тех процесса будет невозможно при используемых сейчас технологиях, и дело тут не в энергоэффективности, а в том, что тупо работать не будет.
                  Только не пойму при чем тут мой комент? Я ответил человеку, что до сих пор снижение техпроцесса улучшало энергоэффективность.

  2. adictive_max
    /#20275624

    По некоторым данным, процессоры на основе графеновых транзисторов смогут работать на частотах близких к терагерцу.
    Ну, как бы, то что один транзистор можно разогнать до терагерца, ещё совсем не означает, что на такой частоте сможет работать система из пары миллиардов транзисторов.

    • Rupper
      /#20284576

      Рази интереса посчитал что на терагерце сигнал распространяется на 0.3мм так что это будет весьма маленький процессор.

  3. Adgex
    /#20281864

    Групповые планарные технологии, где все элементы формируются на поверхности полупроводниковой подложки в едином технологическом цикле, развиваются последние полвека по экспоненциальному закону. Этот прогресс описывается т.н. «Законом Мура». В последние годы наметилась тенденция замедления тренда, что связано с технологическими проблемами и достижением физических пределов.
    В мире рассматриваются три пути развития электроники «По Муру» (More Moore), «Дальше Мура» (More than Moore) и «За пределами КМОП» (Beyond CMOS).

  4. REPISOT
    /#20286922

    Как вы задрали со своим мы все умрем закон Мура скоро перестанет работать! Это не закон природы. Не гравитация, не электромагнетизм. Ну перестанет число транзисторов «примерно удваиваться примерно каждые 24 месяца, а производительность каждые 18» и что? И ничего! Уже давно производительность процессоров стала расти по 5-7% вместо прошлых 50-100.
    Закон Мура — это эмпирическое наблюдение.
    Точно такое же как «Интел производительнее, а AMD дешевле». Ну вот нарушился он с выходом Райзен и что? И ничего. Абсолютно.