Современные наноразмерные электронные лампы могут стать альтернативой кремниевым транзисторам
Сейчас существуют определенные трудности дальнейшего масштабирования технологии полупроводников, а также связанная с этим проблема повышения производительности процессора без увеличения тактовой частоты.
Исследователи из Калифорнийского технологического института считают, что они смогут решить существующую проблему, вернувшись к очень старой технологии. Электронные лампы, по словам исследователя Акселя Шерера, могут стать ключом к повышению производительности транзисторов и снижению потребляемой мощности.
Проект, над которым работают Шерер и его группа, не имеет ничего общего с классическими электронными лампами — по словам команды, они примерно в 1000 раз меньше, чем клетки крови человека, около 6-8 нм. Основной проблемой современных кремниевых процессоров является значительное выделение тепла. Электронные технология же, разрабатываемая исследователями Калифорнийского технологического института, выделяет энергии значительно меньше, чем их кремниевый аналог, что позволит решить проблему перегрева и туннельного эффекта.
В отличие от кремния, который может быть как проводником, так и изолятором, в зависимости от того, как он химически изменен, лампы Шерера могут быть сделаны из целого ряда металлов, таких как вольфрам, молибден, золото и платина.
Электронные лампы являются одним из вариантов среди целого ряда идей. Другие перспективные подходы включают в себя экзотические материалы, например, углеродные нанотрубки и даже микроскопические механические переключатели.
Шерер не пытается изобрести транзистор или полностью заменить кремний. Boeing финансирует эти исследования из-за его потенциального применения в космической и авиационной технике, так как кремний, очевидно, будет стандартом еще многие годы. У вакуумной технологии есть еще много проблем, которые предстоит решить. Когда удастся наладить выпуск десятков тысяч процессоров на электронно-ламповой основе в месяц? Сколько стоит заменить оборудование на производстве и построить экосистему? Может ли оно быть организованно достаточно быстро, чтобы сохранить текущие темпы, и как технология будет интегрироваться в существующие производственные линии?
Миниатюрные электронные лампы могли бы превратиться в основную движущую силу повышения производительности вычислительных систем, но стоимость и производственные проблемы — огромное препятствие на пути технологии, которая позиционирует себя конкурентом кремния. Ни углеродные нанотрубки, ни графен не сделали этого, несмотря на свой огромный начальный потенциал.
Тема использования принципа работы вакуумных электронных ламп в современных чипах всплывает уже не в первый раз. Лампы лучше полупроводников переносят электромагнитные импульсы и радиацию, поэтому их до сих пор используют в военной технике, которая должна выдерживать близкие взрывы ядерных бомб. Так, радиолампы нового поколения разрабатывает американское оборонное агентство DARPA.
В НАСА исследуют возможности так называемых "вакуум-канальных транзисторов". Крошечные размеры электронных «наноламп» в чем-то даже облегчают их создание — в отличие от обычной радиолампы, не нужно прилагать никаких дополнительных усилий для создания вакуума внутри прибора. Расстояние между катодом и анодом намного меньше длины свободного пробега электрона при атмосферном давлении.
Ученые считают, что вакуумные приборы наноразмеров будет легче заставить работать в терагерцовом диапазоне, чем традиционные полупроводники. Хотя и твердотельные транзисторы уже удается заставить работать на частоте выше терагерца. Так, прототип корпорации Northrop Grumman, сделанный в рамках программы DARPA Terahertz Electronics в 2014 году преодолел этот рубеж. В нем использовались транзисторы из фосфида индия.
