Создана интегральная схема на базе 20-нанометровых графеновых транзисторов
В Стэнфордском университете (том самом, что расположен в Кремниевой долине и выпускники которого основали там такие компании как Google, Hewlett-Packard, Sun, Nvidia, Yahoo!, Cisco, Silicon Graphics и многие другие) объявили об очередном крупном достижении на поприще создания графеновых микропроцессоров.
Напомним, что графен представляет собой лист атомов углерода толщиной в один атом и известен своей прочностью и электропроводимостью. Это наиболее вероятная альтернатива кремнию, который, благодаря своим полупроводниковым свойствам, в настоящее время доминирует в производстве транзисторов для микропроцессоров. Быстродействие микропроцессора определяется количеством размещенных на чипе транзисторов — чем их больше, тем производительнее микропроцессор. А графеновых транзисторов чип вмещает гораздо больше, чем кремниевых. Кроме того, графен пропускает электрический ток в 200 раз быстрее, чем кремний. Неудивительно, что исследователи к созданию графеновых транзисторов испытывают большой интерес. Основой для их создания являются углеродные нанотрубки — свернутые в трубки листы графена. Набор из десятков или даже сотен таких трубок образует один транизистор.
Как мы уже рассказывали, один из способов выращивания графена подразумевает впрыскивание метана в печь, где под воздействием высоких температур атомы углерода разрывают связь с водородом, оседают на фольге и образуют графен. Но при этом инженеры сталкиваются с двумя проблемами.
Во-первых, это образование нанотрубок с металлическими свойствами. Напомним, что в основе транзисторов лежит двоичная (бинарная) логика, когда данные с командами кодируются набором нулей и единиц. Единице соответствует ток в цепи, нулю — его отсутствие. Именно полупроводниковые свойства кремния и обеспечили его безоговорочное доминирование на рынке микропроцессоров все последние десятилетия. Нанотрубки с металлическими свойствами (в процессе производства доля их выпуска достигает одной трети) ток проводят постоянно, выключить их нельзя, поэтому роль полупроводников они выполнять не могут. Эту проблему исследователи из Стэнфордского университета решили следующим образом. Через нанотрубки в выключенном состоянии пропускается ток достаточно высокого напряжения. Выключенным полупроводниковым нанотрубкам он вреда не причиняет, а нанотрубки с металлическими свойствами разрушаются и таким образом остаются только полупроводниковые.
Вторая проблема состоит в том, что в процессе выращивания нанотрубки могут спутываться между собой, в результате чего в процессе эксплуатации между ними возникают взаимные помехи. Эту проблему ученые решили с помощью использования при выращивании нанотрубок кристаллов кварца — они способствуют тому, чтобы нанотрубки выращивались параллельно друг другу.
Эти технологии были опробованы исследовательской группой из Стэнфорда еще в 2013 году. Тогда была создана интегральная схема из 178 транзисторов. Каждый из них был размером в микрометр (μm — одна тысячная миллиметра или тысяча нанометров) и состоял из нанотрубок в количестве от 10 до 200. На этот раз размеры созданных в лаборатории полевых транзисторов составляют от 90 до 20 нанометров, что вполне сопоставимо с современными 22-нанометровыми кремниевыми транзисторами. При этом по сравнению с прошлогодними переключение в этих транзисторах осуществляется в 100 раз быстрее при расходе всего 0.04% от прежнего объема потребляемой электроэнергии.
Впрочем, о достойной альтернативе кремниевым чипам пока говорить рано. По словам участника стэнфордской группы, для этого необходимо добиться еще большей плотности размещения нанотрубок в транзисторе, поскольку увеличение их количества в транзисторе способствует более мощному сигналу при меньшем энергопотреблении.