Процессоры Apple уперлись в предел. Какая технология заменит кремний?
Ученые нашли замену современным процессорам.
Миниатюризация транзисторов десятилетиями двигала вперёд вычислительную технику, но сейчас этот подход упирается в физические и экономические ограничения. В современных передовых чипах, таких как процессоры Apple A17 Pro и M4, изготовленных по 3-нанометровому техпроцессу TSMC, длина затворов транзисторов составляет менее 15 нанометров.
На таких масштабах электроны начинают туннелировать сквозь барьеры, которые должны их удерживать, что вызывает утечку тока даже в выключенном состоянии. Результат — потери энергии, избыточное тепловыделение и снижение прироста эффективности, которая раньше росла с каждым новым поколением более мелких транзисторов. При этом строительство фабрики для 3-нанометрового производства обходится уже более чем в 20 миллиардов долларов. Все эти вызовы возродили интерес к радикально иной идее — использованию отдельных молекул в качестве функциональных электронных компонентов.
Электроны по своей природе легче движутся в одном направлении, чем в другом, и это свойство позволяет одной молекуле работать как крошечный диод. Хотя эта идея породила целое направление исследований, эксперименты долгое время сдерживались сложностью управления объектами размером всего в несколько нанометров и измерения их характеристик. Лишь после десятилетий технических инноваций надёжное тестирование стало возможным.
Недавний обзор в журнале Microsystems & Nanoengineering подводит итоги этого прогресса. В нём описаны методы изготовления, функциональные устройства и стратегии интеграции, демонстрирующие, что молекулярная электроника превратилась из теории в серьёзную технологию-кандидата. Потенциальная плотность размещения может достигать 10 в 14-й степени устройств на квадратный сантиметр — примерно в тысячу раз больше, чем у современных кремниевых чипов, пишет Nanowerk.
Молекулярная электроника работает на совершенно иных принципах, чем обычные чипы. Вместо движения через однородные материалы заряд проходит через молекулярные контакты посредством квантового туннелирования. Проводимость экспоненциально снижается с увеличением длины молекулы, то есть более длинные молекулы пропускают меньший ток.
Квантовая интерференция даёт дополнительный уровень контроля. В молекулах на основе бензола электроны могут двигаться по нескольким путям, которые либо усиливают, либо гасят друг друга. Когда соединения располагаются на противоположных концах кольца (пара-конфигурация), интерференция конструктивна и обеспечивает высокую проводимость. В других конфигурациях (мета) интерференция деструктивна, снижая проводимость на порядки величины. Эти эффекты позволяют добиться поведения, невозможного в обычных полупроводниках.
Создание надёжных молекулярных контактов в нанометровом масштабе требует электродов, расположенных на расстоянии менее трёх нанометров. Статические контакты используют фиксированные зазоры, создаваемые методами вроде электромиграции или соединением самоорганизующихся молекулярных слоёв с жидкими металлами. Углеродные электроды могут улучшить качество соединения.
Динамические контакты многократно формируют и разрывают соединения для сбора данных. Методы включают механически управляемые разрывные контакты, разрывные контакты сканирующего туннельного микроскопа и системы на основе микроэлектромеханических устройств, автоматизирующие измерения. Тысячи циклов создают гистограммы, показывающие характерную проводимость отдельных молекул.
Учёные изучают способы создания трёхмерной молекулярной электроники, которая однажды может превзойти кремниевые чипы. Вертикальные каналы, называемые сквозными кремниевыми переходами, могли бы соединять уложенные в стопку слои молекул, а для горизонтальной разводки можно использовать такие металлы, как медь или рутений.
Впрочем, тепло остаётся серьёзной проблемой: органические молекулы разрушаются при температуре выше 200 градусов Цельсия, в то время как стандартные процессы производства чипов требуют температур свыше 400 градусов. Исследователи предлагают добавлять молекулы только на финальных этапах производства. Точное размещение возможно с помощью ДНК-оригами — методики, при которой ДНК складывается в наномасштабные формы, направляющие молекулы в нужные позиции. Первые применения выглядят многообещающе: молекулярные мемристоры могут обеспечить вычисления, похожие на работу мозга, а молекулярные сенсоры способны отслеживать отдельные химические реакции, выявляя детали, невидимые для обычных методов.