НР заменит кремний молекулами

Своим недавним технологическим прорывом в области изготовления микросхем на молекулярном уровне Hewlett-Packard надеется изменить историю микросхемотехники и усилить в ней собственную роль.

Специалисты НР придумали устройства, которые назвали поперечными защелками (crossbar latches), пригодные для выполнения вычислений точно так же, как кремниевые транзисторы.

Разница в том, что поперечные защелки - которые состоят из сети микроскопических проводников, в узлах соединенных молекулами - значительно меньше по размеру и потенциально намного дешевле в производстве, так как изготавливаются в ходе процесса, больше напоминающего струйную печать, чем изощренный процесс травления, применяемый при современном производстве микросхем. Оба фактора создают условия для преодоления технических трудностей и болезненных затрат, которые маячат перед производителями микросхем в ближайшем десятилетии.

Недавно НР продемонстрировала, как можно использовать поперечные защелки в запоминающих устройствах. «Это последний элемент паззла для построения молекулярного компьютера», - заверил старший архитектор компьютеров и главный изобретатель отделения HP Quantum Science Research (QSR) Фил Кукес.

Применение этой технологии в масштабах отрасли может также принести НР большие роялти, если попытаться ее лицензировать, добавил директор QSR Стэн Уильямс. НР настолько уверена в своей технологии, что планирует ввести поперечные элементы в 32-нм чипы, которые поступят в продажу в 2011 или 2012 году. Компания попытается пристроить свою технологию и в планы производителей технологического оборудования и конструкторов полупроводниковых приборов.

Однако НР не занимается поисками выхода из конфликтов, с которыми многие проектировщики сталкиваются сегодня. На будущей неделе исследователи из Южной Кореи, Японии и США - включая IBM и Intel - представят на международной конференции по твердотельным микросхемам свои идеи, связанные с новыми типами микросхем и транзисторов. «Главное наше преимущество заключается в том, что у нас есть нечто, что можно делать уже сейчас, - говорит Кукес. - Мы считаем, что мы раньше других сможем изготавливать сложные устройства».

Хотя эксперты и ученые уже три десятилетия объявляют о неминуемой кончине закона Мура, конец, похоже, все-таки близок. Принцип, утверждающий, что число транзисторов на кремниевом кристалле удваивается каждые два года, позволил индустрии уменьшать размеры и стоимость компьютеров и сотовых телефонов, одновременно повышая их производительность.

К сожалению, традиционные кремниевые транзисторы нельзя сокращать в размерах до бесконечности. Примерно в 2021 году в традиционных транзисторах просто не хватит атомов, чтобы обеспечить поток электронов. В первой половине будущего десятилетия появятся гибридные чипы, содержащие элементы традиционных кремниевых микросхем и какие-то новые материалы или структуры, а на начало 2020-ых, а то и раньше прогнозируют перевод на новые материалы коммерческого производства.

Как это выглядит

Отдельная поперечная защелка состоит из трех проводников: проводника «защелки» и двух управляющих, или синхронизирующих проводников. Проводник защелки проходит под двумя другими. Проводники соединяются посредством молекул, пропускающих электрические импульсы. (В защелках, используемых для вычислений, это слой обычной кислоты, состоящей из углерода, водорода и кислорода.)

Серия электрических импульсов вызывает замыкание молекулярной цепи между проводником защелки и первым проводником синхронизации. Затем импульсы размыкают цепь между проводником защелки и вторым проводником синхронизации. Компьютер интерпретирует это действие как логический ноль. Напротив, размыкание контакта с первым проводником и замыкание со вторым интерпретируется как логическая единица.

Ранее Кукес построил устройства на поперечных защелках, способные выполнять простейшие вычисления, но они не могли сохранять результаты операций. Новые устройства, описанные в статье в Journal of Applied Physics, на это способны: они выполняют те же функции, что и транзисторы.

Главное достоинство этих ключей заключается в том, что расстояние между проводниками может составлять всего 2 нм. В современных транзисторах 90-нм чипов эквивалентный переход имеет размер около 60 нм, так что на том же пространстве можно разместить гораздо больше поперечных защелок. Традиционным транзисторам никогда не достичь таких размеров, убежден Кукес. «Три самые важные параметра - это размер, размер и еще раз размер. При масштабах около 15 нм физика полупроводниковых транзисторов уже не работает».

Сокращение размеров электрических переходов в микросхемах обычно ведет и к повышению быстродействия, однако ключи в экспериментальных поперечных защелках срабатывают примерно за десятую долю секунды.

Не менее важно и то, что чипы на основе поперечных защелок должны быть дешевы в производстве. Проводники размещаются посредством нового метода литографии - нанопечати. При этом методе заранее созданный штамп закрепляется на пленке, и оставленные этим штампом отпечатки становятся матрицами для изготовления проводников. Зато сами молекулярные ключи не нужно размещать по отдельности в каждом из переходов между проводниками. Ток протекает только по проводникам над переходами. «По существу, все остальные молекулы приносятся в жертву», - говорит Уильямс.

Этот рисунок, взятый с веб-сайта Hewlett-Packard, поясняет идею молекулярной электронной цепи, в которой молекулярные ключи соединяют нанопроводники в двух разных плоскостях, образуя решетку.