Бескремниевое будущее

Гонка за гигагерцами заставляет производителей процессоров устанавливать на один чип все больше и больше транзисторов. Соответственно, размеры последних становятся все меньше и меньше. Однако лет через двадцать уменьшаться им будет некуда. Дабы развитие электроники не прекращалось, придется изобретать чипы заново. Например, заменить чем-нибудь привычный кремний.

Китайский ученый Вэйсяо Хуан из политехнического института Rensselaer создал первый в мире транзистор на основе нитрида галлия (GaN). Главное достоинство его изобретения состоит в том, что при меньших, чем у кремниевых транзисторов, размерах GaN-транзистор отличается более высокой производительностью.

Кроме того, Хуан продемонстрировал, что его изобретение может эффективнее, чем обычные решения, объединять несколько важных электронных функций на одном чипе. Поэтому переход производителей электроники на GaN-транзисторы значительно упростит электронные схемы.

Если GaN-транзистор позволит уменьшить и физические размеры техники, то можно предположить, что одними из первых заинтересуются новой технологией производители мобильных устройств.

Также GaN-транзисторы вполне могут спасти мир от глобального потепления и энергетического кризиса. По словам Вэйсяо Хуана, транзисторы на основе нитрида галлия потребляют гораздо меньше энергии, нежели их кремниевые аналоги. Соответственно, применение GaN-транзисторов позволит снизить расход топлива и уменьшить количество выбросов в атмосферу.

Отличаются GaN-транзисторы и повышенной живучестью. Мало того, что им не страшны ни жара, ни холод, они себя комфортно чувствуют и в условиях повышенного радиационного фона. Все это позволит использовать GaN-транзисторы там, куда их кремниевым аналогам путь заказан.

О том, что нитрид галлия, а также другие элементы на основе галлия, обладают лучшей электропроводностью, нежели кремний, было известно давно. Однако лишь Вэйсяо Хуан сумел найти этим знаниям практическое применение.

Другие бескремниевые

Вэйсяо Хуан не единственный ученый, озадачившийся заменой кремния в транзисторах. Три года назад группа исследователей из компаний Intel и Qinetiq разработала транзисторы на основе антимонида индия InSb. Опытные образцы потребляли в десять раз меньше энергии, чем кремниевые аналоги.

Однако у InSb-транзисторов есть один большой недостаток - сверхнизкая рабочая температура. Для нормальной работы представленных в 2005 году антимонид-индиевых транзисторов требуется температура не выше точки кипения жидкого азота, а это минус 196 градусов Цельсия.

Еще одним потенциальным сменщиком кремния в транзисторах является графен. В отличие от индия и галлия, в природе он не встречается, и был получен искусственным путем в 2004 году.

Графен представляет собой слой атомов углерода, соединенных в двухмерную кристаллическую решетку, напоминающую соты. В качестве основы для транзисторов он работает на частотах в сотни раз более высоких, чем кремний. При этом размеры графеновых транзисторов в сотни раз меньше кремниевых.

Сразу после открытия материала считалось, что графен нестабилен и легко разрушается при нагревании. Но позже, в ходе экспериментов, было установлено, что графен образует не идеально плоскую структуру, а слегка изгибается, что придает этой пленке необходимую жесткость и устойчивость. Возможно, через много лет что-то получится и из него.

Зачем?

Обычно, при чтении информации о разработках новых технологий производства транзисторов, возникают вопросы: "для чего все эти эксперименты?" и "чем плох кремний?". Если не сильно вдаваться в подробности, то ответить на них можно так: человечеству нужны более мощные компьютеры.

Начиная с момента появления транзистора в 1947 году, эти "хитроумные приборы" постоянно уменьшаются в размерах, что позволяет устанавливать на один чип все больше и больше транзисторов. В соответствии с законом Мура, сформулированным в 1965 году, число транзисторов на чипе каждые два года удваивается, а стоимость чипа падает на 50 процентов.

Число транзисторов в современных процессорах исчисляется сотнями миллионов и достигает в отдельных случаях миллиардов. И чем больше этих самых транзисторов, тем выше производительность процессора.

Однако всему есть предел, и придет время, когда транзистор достигнет минимально возможных размеров. Исследователи подсчитали, что произойдет это через 15-20 лет. Поэтому, чтобы через два десятилетия развитие техники не прекратилось, ученые вынуждены искать выход из грядущего тупика.

Кстати, помимо отказа от кремния в транзисторах, вполне допустим вариант, что будет создан новый "хитроумный прибор", после появления которого транзистор станет частью истории. Но пока ничего подобного не представлено.

Ломоносов из Поднебесной

Вэйсяо Хуана можно назвать счастливчиком. Он родился в небогатой крестьянской семье вдалеке от крупных промышленных и образовательных центров Китая. И если бы не его отец, то, возможно, Вэйсяо сейчас мог бы выращивать рис, не забивая свою голову нитридом галлия и транзисторами.

Но Хуан-старший не желал сыну судьбы крестьянина. Каждый день он будил Вэйсяо как можно раньше и заставлял заниматься математикой. Постепенно мальчик втянулся, научился в уме производить сложные арифметические действия и пожелал связать свою жизнь с математикой и фундаментальной наукой.

После школы Вэйсяо Хуан поступил в Пекинский университет, который успешно окончил в 2001 году со степенью бакалавра. Два года спустя он получил степень магистра физики, но уже в американском политехническом институте Rensselaer.

17 мая 2008 года ему будет присуждена докторская степень. Понятно, за что.