Материал: Нанотехнологии. Новинки завтрашнего дня (Шуленбург), 2006, c.60
Нанотехнологии
вобществе
Вмире схем: наноэлектроника
Статус технологии – от ноутбука в студии до студии в ноутбуке
Задача: четыре с половиной минуты радиоэфира о первом полете с работающим двигателем, совершенном братьями Райт, с
соответствующим звуковым оформлением. Как поступает автор программы, ценящий качество в работе, если в его распоряжении имеется персональный ноутбук? Во-первых, он хочет взглянуть на место, где это произошло.
На виртуальном глобусе виден Китихок, расположившийся на полоске земли шириной в несколько километров вдоль берегов Северной
Атлантики и граничащий с холмами Кил Девил Хилз; братьям Райт явно был слышен рокот прибоя. Его можно найти в звуковых архивах, так же как и звук свежего бриза, дувшего во время первого полета, согласно описанию в Энциклопедии Британика, а заодно и шелест травы в дюнах. Двигатель вращался со скоростью 1 200 оборотов в минуту, из звуковых архивов извлекается приятный и глубокий звук двигателя старой модели Крайслера. Спектроанализатор в звуковой программе показывает правдоподобные частоты, так что пока все нормально. Первый полет длился двенадцать секунд, поэтому
выбирается отрывок, в котором в конце звук ослабевает – после того как самолет пролетает мимо микрофона, наступает эффект Допплера. Самолет летит слева направо, что можно показать с помощью изгибов панорамной картины. Шум двигателя нарастает и затухает, это регулируется с помощью эквалайзера звука. Затем появляется Орвил Райт, уверенно летящий над Кил Девил Хилз в самолете «Флайер 1», так же как он это делал 17 декабря 1903 года, а внизу шумит прибой и шелестит трава в дюнах – и все это происходит на экране ноутбука. (Другие пионеры авиации, такие как Герман Густав Вайскопф, летали еще в 1901 году, но не смогли внедрить свои изобретения в жизнь.)
Двадцать лет назад эта задача была бы не под силу одному человеку, и потребовала бы для ее решения тонны оборудования. Сегодня же все, что нужно, это персональный ноутбук, небольшой стол и несколько часов времени. Тридцать тяжелых томов энциклопедии умещаются сегодня на диске DVD, что облегчает и ускоряет поиск. Звуковая программа тоже не имеет материальной формы и хранится на жестком диске, и на ее виртуальных полках хранится бесчисленное множество звуковых эффектов.
В будущем обычной станет библиотека, умещающаяся на запястье, а также интерактивная мобильная связь.
24
Телестудия настолько мала, что может уместиться на ногте: Мультимедийная микросхема, контролирующая высокое разрешение экрана, потребляет столько же энергии, сколько карманный фонарь.
Даешь Нано! Ближайшее будущее
Транзисторная технология, используемая сегодня в компьютерных процессорах, называется CMOS (комплементарная
структура металл-оксид-полупроводник), и была разработана, среди всего прочего, для первых электронных часов, поскольку потребляла меньше энергии по сравнению с предшественниками.
С 1970х годов эксперты начали предсказывать, что через 10-15 лет эта технология достигнет предела своего развития, и предсказывают это по сей день. Но сегодня у электронной индустрии есть неопровержимый довод в пользу того, что тенденция миниатюризации ее компонентов прервется: на пути в микрокосм постепенно становятся видны подлинные строительные блоки материи – ее атомная структура. Но электронные оболочки атомов – самые маленькие компоненты, которые можно соединить вместе в нормальных условиях с целью получения технических структур. Поэтому виден фундаментальный предел. Контур проводника не может быть сколько-нибудь тоньше размера атома.
Технология CMOS уже давно доходила до пределов возможностей, иногда довольно любопытных. Цепи, соединяющие транзисторы на микросхеме, уже настолько тонки, что атомы алюминия в таких условиях теряют стабильность. Их просто смывает потоком электронов как гальку в бурном потоке. Это явление обозначается специальным термином – «электро-миграция». Решение: медные цепи, являющиеся еще лучшими проводниками, что ускоряет ток сигналов на чипе. Кроме того, цепи сегодня располагаются настолько близко друг к другу, что создается явно обнаруживаемая емкость,
как в конденсаторе. Если этот эффект не принимать во внимание при конструировании микросхемы, она может выбиться из режима синхронной работы.
Некоторые компоненты транзисторов постепенно уменьшаются до размера менее чем 20 нанометров. Это уже область квантовой теории, где проявляются туннельные эффекты: в более крупных транзисторах, там, где тока быть не должно, он начинает течь – электронный межсетевой проход дает утечку. И хотя токи очень слабые, в сумме они дают значительные потери, и процессор нагревается. Эти неконтролируемые заряды также могут вызвать логические ошибки фатального характера.
В очень тонких структурах начинают проявляться волновые свойства электрона, что и описывается квантовой теорией. Но многие ученые видят в этом возможность создания нового вида электроники, который приведет к квантовому компьютеру, открывающему совершенно новый математический мир.
64-битовый процессор от компании AMD для ПК со 106 миллионами
транзисторов, нанесенных с помощью технологии 130 нанометров.
25
Нанотехнологии |
в обществе |
В мире схем: Наноэлектроника
Закон Мура достигает своего предела
Уже в 1965 году Гордон Мур, со-основатель фирмы Интел,
осознал, что емкость микросхем удваивается каждые полтора года. Этот «закон» сейчас подвергается сомнению из-за действия человеческого фактора. В то время как число транзисторов на чипе ежегодно увеличивается на 50 процентов, аналитики жалуются, что
производительность труда конструкторов микросхем увеличивается всего лишь на 20 процентов в год. Промышленность попыталась
противодействовать этой тенденции, постепенно увеличивая размер конструкторских рабочих групп,
которые сегодня состоят из 250-300 человек и в
компьютерные процессоры (CPU) уже оснащаются
таком составе становятся трудно управляемыми.
структурами размером менее 100 нанометров, содержащими более 100 миллионов транзисторов.
Неограниченный рост противоречит Второму
Если верить Дорожной карте полупроводниковой
Закону Мура, который гласит, что уменьшение
промышленности, чьи прогнозы в основном
размеров структур влечет за собой увеличение
основаны на реальных технических разработках, в
стоимости производственного предприятия. Пока
ближайшие несколько лет (2010) можно ожидать
эти ограничения не станут серьезным препятствием
появления структур размером 45 нанометров, в
на пути дальнейшего развития, нанотехнологии по-
таком случае на одном чипе уместится более
прежнему будут играть важную роль в
миллиарда транзисторов. Это откроет возможности,
наноэлектронике. В настоящее время
о которых сегодня мы можем только мечтать.
Крошечный |
|
|
|
|
|
островок |
|
Атомы марганца на |
кремния на |
|
серебре, Университет |
кремниевом |
|
Христиана- |
кристалле |
|
Альбрехта, г. Киль. |
постепенно |
|
Электроны, |
растворяется |
|
окруженные клеткой |
при 450 |
|
из атомов марганца, |
градусах. |
|
образуют разные |
Знание этого |
|
рисунки, в |
процесса важно |
|
зависимости от |
для |
|
приложенного |
обеспечения |
|
электрического |
качества |
|
напряжения. Подобные |
тонких |
|
эффекты будут |
кремниевых |
|
важны в электронике |
слоев. |
|
завтрашнего дня. |
|
|
|
|
|
|
26
ОЗУ с изменением фазы
овременные устройства хранения данных Соснованы на разных технологиях, имеющих
свои преимущества и недостатки. Магнитомеханические накопители на жестких дисках (обычно ипользующиеся в современных настольных ПК) имеют очень высокую плотность элементов памяти и для хранения данных не требуют присутствия постоянного источника электрического тока, но доступ к данным в них замедлен. Динамическое ПЗУ (запоминающее устройство с произвольной выборкой) DRAM, наоборот, обеспечивает быстрый доступ, но данные должны постоянно «обновляться» посылами электрического тока. Флэш-память, используемая, например, в плеерах MP3, мобильных телефонах и цифровых камерах, сохраняет данные без постоянного источника тока, но работает не так быстро, как динамические ПЗУ и может быть использована примерно миллион раз. Будущим нанотехнологическим концепциям хранения данных, объединяющим названные выше преимущества: высокую плотность элементов памяти, скорость, хранение данных без источника тока и долгий срок службы, - удовлетворяют, как представляется сегодня, магнитные ПЗУ (MRAM) и описанные ниже ПЗУ с изменением фазы.
Твердая материя может находиться в двух противоположных состояниях: кристаллическом, когда атомы расположены в строгом порядке, как сосны на лесопосадках, или аморфном, когда атомы расположены бессистемно. Обычными аморфными твердыми телами являются некоторые виды стекла, например, кварцевое стекло; то же самое вещество, диоксид кремния, в царстве минералов существует в кристаллической форме, и называется горным хрусталем. В будущем мы еще много услышим об этих двух состояниях вещества – кристаллическое и аморфное - поскольку они, вероятно, сыграют определяющую роль в запоминающих устройствах
будущего. Некоторые твердые вещества более или менее легко позволяют переводить себя из аморфного состояния в кристаллическое и наоборот; такое изменение фазы, которое обычно достигается тепловым воздействием, нашло широкое применение в среде оптических ЗУ. Например, во время записи на перезаписываемый DVD с помощью теплового шока от лазерного импульса специальное покрытие на диске изменяет его фазу на конкретном участке с «кристаллической» на «аморфную», тем самым изменяя его отражательные свойства и делая возможным запись считываемой битовой комбинации. Более продолжительный и сильный лазерный импульс вновь превращает аморфный участок в кристаллический, с тем чтобы диск DVD можно было перезаписать.
Вещества с изменяющейся фазой, по всей видимости, ждет долгая служба в электронных запоминающих устройствах, или ПЗУ с изменением фазы. В этом случае фазовый переход будет осуществляться не оптическим, а электронным способом. Короткие импульсы тока делают вещество аморфным и придают ему высокое электрическое сопротивление, продолжительные импульсы возвращают его в кристаллическое состояние с низким сопротивлением. Для считывания информации запрашивается сопротивление элементов памяти.
С помощью ПЗУ с изменением фазы станет возможным достичь такой плотности элементов памяти, что можно будет уместить терабит информации – эквивалент десятичасового видео лучшего качества – на пятачке размером с почтовую марку. С такой технологией ноутбуки будут начинать работу с того места, где владелец ее закончил – начальная загрузка системы станет не нужна.
Справа: слои двоичного запоминания в ПК можно переводить из аморфного состояния в кристаллическое и обратно с помощью импульсов тока и тепла разной длительности. Эта конструкция, запатентованная Институтом полупроводниковой электроники (IHT, RWTH, Ахен) сочетает быструю память и малое потребление энергии.
Слева: Схема компонента ПЗУ с изменением фазы.
27
Нанотехнологии |
в обществе |
Специальное
выращивание углеродных нанотрубок на определенных участках силиконовой пластины при помощи совместимых с микроэлектроникой процессов.
Вмире схем: Наноэлектроника
Втретье измерение –
Чипы растут в высоту
Когда в Манхэттене возникла необходимость в новых офисных помещениях и жилых районах, небоскребы
стали экономически выигрышным решением проблемы скудного рынка недвижимости. Конструкторы микросхем еще в самом начале подумывали о третьем измерении, но эти усилия по ряду причин ни к чему не привели.
Возможно, дорогу в третье измерение нашли в компании Infineon AG, Мюнхен, которой удалось вырастить углеродные нано-трубки (CNT) на полированных силиконовых пластинах, на которые устанавливают микросхемы. Углеродные нанотрубки являются первоклассными проводниками и потому производят очень мало отработанного тепла, они же могут служить связующими звеньями (VIA) – устойчивыми к механическим воздействиям
– между различными уровнями микросхемы. В перспективе, исследователи компании Infineon считают возможным разработку оригинальной трехмерной технологии для микросхем с помощью углеродных нано-трубок, тем более что, будучи отличными теплопроводниками, они могут к тому же рассеивать тепло внутри трехмерных чипов.
10 μm
Современное искусство: Экспериментальные структуры для спинтронных ОЗУ.
28