Процессоры Apple достигают предела своих возможностей. Посмотрите, какая технология заменит кремний
Миниатюризация транзисторов была движущей силой компьютерного прогресса на протяжении десятилетий, но в настоящее время этот подход сталкивается с физическими и экономическими ограничениями. В современных чипах, таких как процессоры Apple A17 Pro и M4, изготовленных по 3-нанометровому техпроцессу TSMC, длина затвора транзистора составляет менее 15 нанометров.
В этих масштабах электроны начинают туннелировать через барьеры, которые должны их сдерживать, заставляя ток течь, даже когда транзисторы выключены. Результатом являются потери мощности, избыточное выделение тепла и снижение эффективности, которая обычно увеличивалась с каждым новым поколением транзисторов меньшего размера. Между тем, строительство завода по производству 3-нанометровых чипов сейчас обходится более чем в 20 миллиардов долларов. Все эти проблемы возродили интерес к радикально иной идее: использование отдельных молекул в качестве функциональных электронных компонентов.
Электроны естественным образом легче текут в одном направлении, чем в другом, и это свойство позволяет молекуле действовать как крошечный диод. Хотя эта идея породила целую область исследований, эксперименты долгое время были затруднены из-за сложности манипулирования и измерения объектов размером всего несколько нанометров. Только после десятилетий технических инноваций стало возможным надежное тестирование.
Недавний обзор в журнале Microsystems & Nanoengineering суммирует этот прогресс. В нем описываются методы изготовления, функциональные устройства и стратегии интеграции, демонстрируя, что молекулярная электроника превратилась из теории в серьезного кандидата в технологии. Потенциальная плотность может достигать 10 устройств на квадратный сантиметр — примерно в тысячу раз больше, чем у современных кремниевых чипов, сообщает Nanowerk.
Молекулярная электроника работает по совершенно другим принципам, чем обычные чипы. Вместо перемещения через однородные материалы заряд проходит через молекулярные контакты посредством квантового туннелирования. Проводимость уменьшается экспоненциально с увеличением длины молекулы, а это означает, что более длинные молекулы проводят меньший ток.
Квантовая интерференция обеспечивает дополнительный уровень контроля. В молекулах на основе бензола электроны могут двигаться по нескольким путям, которые либо усиливают, либо нейтрализуют друг друга. Когда переходы расположены на противоположных концах кольца (параконфигурация), интерференция носит конструктивный характер и обеспечивает высокую проводимость. В других конфигурациях (метаконфигурация) интерференция носит деструктивный характер, снижая проводимость на порядки. Эти эффекты делают поведение невозможным в обычных полупроводниках.
Для создания надежных молекулярных контактов нанометрового размера необходимы электроды, расположенные на расстоянии менее трех нанометров друг от друга. В статических контактах используются фиксированные зазоры, создаваемые такими методами, как электромиграция или соединение самоорганизующихся молекулярных слоев с жидкими металлами. Угольные электроды позволяют улучшить качество соединения.
Динамические контакты неоднократно формируют и разрывают соединения для сбора данных. Методы включают механически управляемые размыкающие контакты, размыкающие контакты сканирующего туннельного микроскопа и системы микроэлектромеханических устройств, автоматизирующих измерения. Тысячи циклов создают гистограммы, показывающие характеристическую проводимость отдельных молекул.
Ученые изучают способы создания 3D-молекулярной электроники, которая однажды сможет превзойти кремниевые чипы. Вертикальные каналы, называемые кремниевыми переходами, могут соединять сложенные друг с другом слои молекул, а такие металлы, как медь или рутений, можно использовать для горизонтальной проводки.
Однако тепло остается серьезной проблемой: органические молекулы разрушаются при температуре выше 200 градусов по Цельсию, тогда как стандартные процессы производства чипов требуют температур выше 400 градусов по Цельсию. Исследователи предлагают добавлять молекулы только на заключительных стадиях производства. Точное размещение возможно с помощью ДНК-оригами — техники, при которой ДНК складывается в наноразмерные формы, которые направляют молекулы в нужные положения. Первоначальные применения многообещающи: молекулярные мемристоры могут обеспечить выполнение вычислений, подобных мозгу, а молекулярные датчики могут отслеживать отдельные химические реакции, раскрывая детали, невидимые обычными методами.
