Silicio nanovielutės gali tapti naujos kartos tranzistoriais

IBM mokslininkė Frances Ross užsiima mikroskopinius grybus primenančių silicio nanovielučių auginimu, kurios kažkada ateityje gali tapti naujo tipo elektronikos pagrindu. Nanovielutės yra tik vienas iš daugelio modernaus medžiagų mokslo pasiekimų, tačiau jų potencialas yra didžiausias.

Mokslininkai deda didžiules pastangas siekdami sukurti naujos kartos elektroninių komutuojančių komponentų kartą, kurie būtų mažesni, greitesni ir galingesni nei šiandieniniai tranzistoriai, rašo technologijos.lt.

 Priežastis, dėl kurios kompiuterius tobulinantys mokslininkai siekia šio tikslo, yra ta, kad tranzistoriaus matmenų mažinimas jau pasiekė fundamentalias fizikos dėsnių leistinas ribas. Tranzistorių gamintojai vis įnirtingiau "grumiasi" su subatominiais reiškiniais, tokiais kaip elektronų tendencija "nutekėti" per jungiamąsias medžiagų ribas. Dėl nutekančių elektronų sudėtingiau atskirti, ar tranzistorius yra įjungtas, ar išjungtas, o būtent tokia informacija ir yra elektroninių kompiuterių veikimo principo pagrindas. Elektronų judėjimas taip pat sugeneruoja perteklinę šilumą, kuri pragaištingai veikia sparčiausius kompiuterinius lustus.

Tranzistorius nėra eilinis elektronikos pasaulio komponentas. Tai - išradimas, kurio dėka prasidėjo kompiuterių revoliucija. Iš esmės tai yra elektros srove valdomas elektrinis jungiklis. Skaičiavimo technikoje, kai jungiklis yra įjungtas, jis reprezentuoja loginį vienetą; kai jungiklis išjungtas - loginį nulį. Minėti nuliukai ir vienetukai sudaro bazinę kompiuterių kalbą.

Daugiau nei pusę amžiaus tranzistoriai vis mažėjo, pigo, paklusdami vadinamajam Moore'o dėsniui, kuris teigia, jog elektroninių grandynų komponentų tankis padvigubėja apytiksliai kas du metus. Tokią tendenciją 1959 metais išpranašavo kompiuterių mokslininkas Douglas'as Engelbart'as; prognozę 1965 metais dabar jau legendiniu tapusiame straipsnyje aprašė Gordon'as Moore'as, vienas iš kompanijos "Intel" įkūrėjų. 

Šiandieniniai tranzistoriai naudojami milijardais. Iš jų formuojami mikroprocesoriai, atminties lustai ir kitokios paskirties mikroschemos. Jie dažnai vadinami planariniais tranzistoriais, kadangi jie auginami ant silicio pagrindo paviršiaus (plokštumos). Sudėtingo gamybos proceso metu tiksliai suformuojamos ir išėsdinamos skirtingos izoliuojančio, laiduminių ir puslaidininkinių medžiagų sritys - tikslumas toks didelis, jog pramonė jau siekia galimybės kontroliuoti pavienių molekulių padėtį.

Tipinis šiandieninis didelio našumo "Intel" mikroprocesorius sudarytas iš apytiksliai vieno milijardo ar netgi daugiau tranzistorių. Kiekvienas šių mikrokomponentų gali įsijungti apie 300 milijardų kartų per sekundę ir yra "supakuoti" taip tankiai, jog šio sakinio gale padėtame taške jų "patogiai" sutilptų kokie du milijonai. Faktiškai jau šiais metais mikroschemų pramonė ruošiasi pradėti perėjimą nuo 45nm technologijos pagrindu gaminamų mikroprocesorių lustų (žmogaus plaukas yra apytiksliai 80000 nanometrų pločio) prie 32 nanometrų technologijos. Tai bus dar vienas žingsnis mikrokosmoso link. Tačiau šių savotiškų "laiptų" pabaiga gali būti jau visai netoli.

"Fundamentaliąja prasme planariniam tranzistoriui jau baigiasi užtaisas", vaizdžiai išsireiškia vyresnysis IBM viceprezidentas ir mokslinių tyrimų vadovas John'as E. Kelly. "Mes esame ties lūžio tašku, tuo jau metas patikėti. Tačiau didžioji pasaulio dalis tai vis dar neigia", sako Stenfordo universiteto elektros inžinerijos srities mokslininkas Mark'as Horowitz'as, kuris praėjusią savaitę Palo Alto (Kalifornija, JAV) vykusioje mikroschemų projektavimui skirtoje konferencijoje pristatė pranešimą šia tema. "Fizikiniai apribojimai tampa vis rimtesni", sako tyrinėtojas. 

Daugelis elektronikos srities mokslininkų jau ilgus metus bando perspėti, jog toks laikas, kai Moore'o dėsnis nustos galioti, galiausiai ateis, ir tą pasikeitimą nulems tai, kad technologiniai sunkumai taps pernelyg sudėtingi, o jiems įveikti bus reikalingos astronominės išlaidos. Praėjusią savaitę Stenfordo universitete įvykusioje elektronikos (tame tarpe ir tranzistorių) matmenų mažinimui skirtoje diskusijoje net keletas dalyvių priminė, jog pabaiga jau arti. "Matmenų mažinimas jau pasibaigė. Jau nuo 90 nanometrų mes žaidžiame su įvairiausiais triukais", teigia vienas pagrindinių IBM mikroschemų projektuotojų Brad'as McCredie. Tuo jis bando pabrėžti, kad pramonė, siekdama pagaminti mažesnius grandynus, pasitelkia santykiniu požiūriu vis labiau archaiškas technologijas.

Pavyzdžiui, pastarąsias tris technologijos kartas "Intel" naudojo medžiagą, žinomą "įtemptojo silicio" (angl. strained silicon) pavadinimu. Joje silicio sluoksnį sudarantys atomai yra ištempti taip, kad padidėja įprastinis atstumas tarp pavienių atomų. Tai pasiekiama formuojant silicio sluoksnį viršum kitos medžiagos, tokios kaip germanis. Tokiu "fokusu" sumažinamos energijos sąnaudos ir padidinamas komutacijos greitis.

Kiti mokslininkai ir šios šakos verslo vadovai tiki, kad tranzistoriaus matmenų mažinimas gali tęstis, bent jau kurį laiką, ir kad šiuo metu pramonėje naudojamas standartinis MOSFET tranzistorius (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Tranzistor, liet. metalas-oksidas-puslaidininkis struktūros lauko efekto tranzistorius) gali būti efektyviai naudojamas dar keliose technologijos kartose.

Didžiausio pasaulyje mikroschemų gamintojo korporacijos "Intel" technologijos vadovai sako esą įsitikinę, kad suderinant pažangesnius fotolitografijos metodus su naujų rūšių medžiagomis ir pakeitus tranzistoriaus struktūrą bus galima tęsti matmenų mažinimą net iki penkių nanometrų - to pramonei užtektų iki pat kito dešimtmečio pabaigos. "Silicis greičiausiai gyvuos ilgiau nei mes tikimės", sako "Intel" viceprezidentas ir kompanijos gaminamų komponentų mokslinių tyrimų programos vadovas Michael C. Mayberry. 

Tiek "Intel", tiek IBM viešai yra pareiškė planuojantys pereiti prie naujos tranzistorių klasės, žinomos pavadinimu "FinFET". Perėjimas prie naujovės turėtų įvykti jau 2011 arba 2012 metų pradžioje, kai bus pradėti gaminti komponentai nadojant 22nm skiriamosios gebos technologiją. Priešdėlis "Fin" (liet. pelekas) suteiktas dėl to, kad dalis tranzistoriaus savo forma primena žuvies peleką. Šie komutuojantys elementai pasižymės dvejopu pranašumu: pirmiausia, jie leis padidinti tranzistorių tankį, nes dalis jų bus vertikaliai išsikišusi iš silicio pagrindo; antra, jie užtikrins geresnes izoliacines savybes ir taip leis tiksliau kontroliuoti perėjimą tarp loginio vieneto ir nulio būsenų.

Tačiau anksčiau ar vėliau, norint dar labiau atpiginti kompiuterių technologiją, teks ieškoti naujų medžiagų ir naujų gamybos procesų. Igalaikėje perspektyvoje naujos kartos komutuojantys elementai gali veikti magnetinio, kvantinio ar netgi nanomechaninio komutavimo principais. Viena iš alternatyvų yra netgi pavienių elektronų sūkio keitimas, taip koduojant loginio nulio ir loginio vieneto būsenas. "Jei pažvelgtumėte į ateitį, ten pamatytumėte išsišakojimą, rodantį, jog yra daugybė kelių, kuriais mes galime nueiti", sako Mayberry.

Daktarės Ross laboratorijoje mokslininkai dirba ties šiek tiek artimesnės ateities technologija. Jie tiria idėją konstruoti "FinFET" tranzistorius naudojant radikaliai naują procesą, visiškai atsiskiriantį nuo fotoėsdinimo. Tai - savotiškas nanomatmenų ūkis. Ross ant specialaus pagrindo išpurškia vos 10 nanometrų skersmens aukso daleles ir po to užlieja jas silicio dujomis. Aplinkos temperatūra palaikoma ties 590 laipsniais pagal Celsijaus skalę. Tai priverčia daleles "superįsisotinti" dujinėje formoje sklandančiu siliciu, kuris vėliau nusėda kietoje būsenoje, suformuodamas vertikaliai augančią vielutę.

IBM agresyviai skuba tobulinti šią technologiją ir mokslininkės teigimu, ji turėtų būti baigta kurti ir paruošta komerciniam naudojimui jau 2012 metais. Tuo pat metu tyrinėtoja pripažįsta, kad kuriant nanovielučių technologiją vis dar lieka neišspręstų rimtų techninių kliūčių. Grybų formos vielutės jos laboratorijoje dabar kažkiek primena mažyčius bonsai medžius. Norėdami užtikrinti tokius elektrinio komutavimo parametrus, kokių reikalauja mikroschemų gamintojai, mokslininkai turės išmokti silicį užauginti taip, kad jų sudaromas paviršius būtų idealiai lygus. Be to, papildomai dar teks sukurti technologiją, kurios pagalba jį bus galima priversti veikti kaip puslaidininkį.

IBM taip pat analizuoja ir rizikingesnes idėjas, tokias kaip "DNR origami" (angl. DNA origami). Naujoviškos technologijos iniciatorius - Kalifornijos technologijų instituto (JAV) mokslininkas W. K. Rothemund'as. Jo pasiūlytu principu sukuriamos dvimatės ir trimatės struktūros - tai atliekama kontroliuojant vienos virusinės DNR gijos lankstymosi procesą; kontrolei panaudojamos kelios mažesnės gijos, kurios veikia tarsi popierių susegančios sąvaržėlės. Tokiu būdu galima suformuoti praktiškai viską, pradedant nanometrinių matmenų trikampiais ir kvadratais, baigiant sudėtingesnėmis formomis, tokiomis kaip besišypsantys veideliai ir grubus Šiaurės Amerikos žemėlapis. Gali būti, jog ateityje tą pačią technologiją galėsime naudoti netgi statybinėms konstrukcijoms gaminti, kurios sėkmingai pakeis šiuo metu naudojamą medieną ir betoną. Suformuotos DNR struktūros gali būti naudojamos tiksliai kontroliuoti aukso nanodalelių išdėstymą, ant kurių vėliau būtų auginamos jau minėtos nanovielutės. DNR paskirtis būtų tik suformuoti reikiamą elektroninio grandyno struktūrą, o vėliau, mikroschemų gamybos metu, šios molekulės būtų sunaikinamos aukštos temperatūros.

"Intel" interesai neapsiriboja vien tik "FinFET" tranzistorių gamyba. Kompanija taip pat tikisi rasti būdų pakeisti silicį naujomis medžiagomis, tokiomis kaip grafenas ir anglies nanovamzdeliai, iš kurių gamintojui jau yra pavykę sukurti vos 1,5 nanometro skersmens tranzistorių prototipus, teigia Mayberry. Naujos medžiagos pasižymi didesniu elektronų mobilumu, ir būtent dėl to tampa įmanoma pagaminti mažesnius ir greitesnius komponentus, lyginant su silicio pagrindu pagamintais analogais. "Labai mažame mastelyje atsiranda problema, kaip apskritai sudaryti elektrinį kontaktą su tokiais vamzdeliais", sako mokslininkas. he said. "Viskas priklauso ne tik nuo to, kaip gerai veiks nanovamzdelis, bet ir nuo to, kaip jis bus integruojamas į visą sistemą".

Atsižvelgiant į visus iššūkius, su kuriais susiduria kiekviena nauja mikroschemų gamybos technologija, ir smarkiai sumažėjusias investicijas į šią pramonės šaką, tarsi logiška būtų prognozuoti, jog mažesnių, greitesnių ir pigesnių komponentų tendencija jau yra ties lėtėjimo (jei ne sustojimo) slenksčiu. Tačiau Mayberry manymu, ši pramonės šaka turi savų būdų skeptikams nustebinti.