Независимый бостонский альманах

ПРОРЫВ В ЭЛЕТРОНИКЕ И КОСМОСЕ

19-02-2012

Закон Мура и графены

В 1965 году Гордон Мур, один из основателей Intel высказал предположение, что число транзисторов на кристаллах микросхем будет удваиваться каждые полтора-два года. Оно стало законом, который исправно выполнялся из десятилетия в десятилетие, несмотря на сетования специалистов и опасения широкой публики, что вот-вот будет достигнут естественный предел экспоненциального нарастания мощности компьютеров, каковое имеет место при таком удвоении. То есть закон Мура упрется в законы природы.

  ПРОРЫВ В ЭЛЕТРОНИКЕ И КОСМОСЕВ 2007 г. сам Мур заявил, что его закон, видимо, скоро перестанет действовать из-за атомарной природы вещества и ограничения скорости света. В том же 2007 г. Intel заявила о разработке процессора, наименьший структурный элемент которого составлял 45 нанометров. Прошло пять лет и этой весной она собирается начать поставки уже 22 нм процессора. Дойдет ли дело до анонсированных ею на перспективу 5 нм технологий, неясно. Пока пределом уменьшения размеров кремниевых транзисторов становятся 10-11 нм, после чего усложняется управление движением электронов внутри кремниевого канала. Казалось бы, опасения Мура оправдываются, но…
Но как всегда на помощь приходит очередной прорыв, теперь уже даже не в технологиях, они только зарождаются и отрабатываются, а в физике! Речь, как вы понимаете, идет о графене, двумерной пленке углерода одноатомной толщины. Еще до вручения нобелевской премии его открывателям, Гейму и Новоселову, начался буквально взрывообразный процесс обнаружения все новых и новых свойств и способов применения революционного материала. Ну а возможность создания на его основе сверхвысокочастотных транзисторов определяется тем, что в этом материале электроны движутся с очень высокими скоростями.

Уже в феврале 2010 г. IBM сообщила о разработке транзистора на основе графена с длиной затвора 240 нм (есть резерв для дальнейшей оптимизации!), работающего на частоте 100 ГГц, что превышает рабочую частоту кремниевых транзисторов соответствующих размеров. В апреле 2011 г. компания создала транзистор с затвором длиной 40 нм и максимальной частотой 155 ГГц. Причем качество графена было не самым высоким, так что это не предел. К тому же оказалось, что графеновые схемы имеют полезнейшее свойство термоэлектрического самоохлаждения, что чрезвычайно важно при создании плотно упакованных структур.

И вот 2 февраля сделан следующий шаг, появилась публикация в Science, сразу привлекшая большое внимание. До сих пор речь шла о полевых графеновых транзисторах, теперь же большая группа ученых, 15 человек, среди них 6 русских, включающая Гейма и Новоселова и представляющая семь научных организаций из США, Англии, Нидерландов, Португалии и России в статье Field-Effect Tunneling Transistor Based on Vertical Graphene Heterostructures описала действующий вертикальный туннельный транзистор. Его упрощенная схема и структура представлена на иллюстрации, принадлежащей одному из авторов, Леониду Пономаренко. Он говорит: "Мы доказали эффективность нового концептуального подхода к графеновой электронике на практике. Уже в этом состоянии наши транзисторы неплохо работают. Я верю, что мы сможем многократно ускорить их работу, уменьшить их до нанометровых размеров и заставить их работать частоте, близкой к терагерцу".

Группа смогла нейтрализовать основной недостаток графена, определяемый одним из главных его достоинств - высокой, металлической проводимостью.

Это большие токи утечки в выключенном состоянии транзистора, что в сочетании с иными эффектами не позволяло достичь соотношения токов в открытом и закрытом состояниях выше ~103, а в условиях комнатной температуры оно не доходило даже до 10. Кроме того, утечка приводит к нагреву схемы, вынуждает увеличивать напряжение, что еще более усиливает нагрев, и дальнейшая миниатюризация крайне затруднена этим.

ПРОРЫВ В ЭЛЕТРОНИКЕ И КОСМОСЕТеперь же создана гетероструктура (многослойный пакет) из двух пленок графена, разделенных тончайшими слоями гексагонального нитрида бора или дисульфида молибдена. Ток возникает в результате туннельного эффекта, когда под действием электрического поля электроны проскакивают из одного слоя графена в другой через изолирующий барьер высокоэффективного диэлектрика. Такая конструкция позволяет избавиться от больших токов утечки в состоянии покоя. В туннельном транзисторе, в отличие от обычного полевого, канал контролируется с помощью квантового туннельного эффекта, а не инжекции заряда. То есть при наложении внешнего напряжения электроны преодолевают потенциальный барьер со значительно большей вероятностью. Такой транзистор будет требовать меньшего напряжения для переключения состояний, а значит, значительно снизится энергопотребление микросхем.

По оценкам исследователей, отношение тока в транзисторе во включенном и выключенном состоянии составляет от 50 для нитрида бора до 10000 для дисульфида молибдена, а вольт-амперные характеристики транзисторов, снятые при температуре жидкого гелия и в комнатных условиях, весьма неплохи и практически совпадают. Это открывает перспективы по созданию высокочастотной и высокопроизводительной графеновой электроники. К тому же новые структуры выгодно отличаются тем, что их поперечные размеры можно снизить до ~10 нм. Поскольку же никаких жестких ограничений на величину отношения токов в открытом и закрытом состоянии теперь нет, то в будущем, при оптимизации структуры и использовании более качественных диэлектриков (замене двуокиси кремния, использованной в подложке), оно также должно заметно подняться.

По сути дела, мы стоим на пороге микроэлектронной революции и закону Мура в ближайшие годы, если не десятилетия ничего не угрожает! Электроника будет становиться все более компактной и производительной, все более определяя наш стиль и образ жизни. Ну а к моменту исчерпания возможностей графена и его грядущих (в этом мало кто сомневается) родственников, появится очередной революционный материал. Или технологии. Или физические подходы. Что делает жизнь интересной и меня вполне устраивает.

Близится старт NuSTAR
Итак, долгая предстартовая эпопея NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) близится к финалу: 27 января специальный трейлер доставил аппарат из Вирджинии, с завода Orbital Sciences Corporation, на базу ВВС Ванденберг в Калифорнию. 17 февраля его установят на ракету "Пегас" и на подвеске у самолета-носителя L-1011 "Stargazer" 7 марта доставят к месту старта, на атолл Кваджелейн. НАСА приступила к реализации этого проекта еще в январе 2005, но через год в связи с сокращением бюджета отказалась от него. В 2007 к нему снова вернулись - и снова свернули до лета 2010. В итоге "Пегас", стартуя с L-1011над Тихим океаном на высоте 12 км, должен 14 марта наконец-то вывести телескоп на орбиту.

NuSTAR это космический телескоп жесткого рентгеновского диапазона (7 - 80 кэВ), который запустят в рамках программы малых космических спутников (small explorer) NASA. Он работает на принципе скользящего отражения, а не кодирующей апертуры, при этом исследуемый сигнал падает на зеркало т.н. Вольтеровского типа (X-ray Imaging Systems) под малым углом. В отличие от тяжелых (1,6-4,5 тонн) и дорогих телескопов рентгеновского и гамма диапазонов Chandra X-ray Observatory, XMM-Newton, INTEGRAL, Fermi Gamma-ray Space Telescope и Swift Gamma-Ray Burst Mission, он весит всего 360 кг и стоит чуть более ста млн. долларов. При этом его чувствительность будет выше на два порядка. Телескоп состоит из двух наборов по 133 концентрических зеркала из гибкого стекла со специальным покрытием в каждом и с новыми эффективными детекторами. Необходимая в этом диапазоне большая фокальная длина обеспечивается десятиметровой мачтой, которая выдвинется через неделю после выхода на орбиту.

Во время своей двухгодичной миссии NuSTAR будет картографировать небесный свод, изучать черные дыры и их релятивистские джеты, уточнять местоположение остатков сверхновых, исследовать микровспышки на Солнце, чтобы выяснить, каким образом солнечная корона нагревается до миллионов градусов, и даже искать следы темной материи. Астрономия больших энергий вносит все больший вклад в понимание физики Вселенной и недаром едва ли не половина действующих космических телескопов работает в этом диапазоне.

NASA's Nuclear Spectroscopic Telescope Array, or NuSTAR, mission is seen here being lowered into its shipping container at Orbital Sciences Corporation in Dulles, Va. Image credit: NASA/JPL-Caltech/Orbital
Full image and caption

http://www.nasa.gov/mission_pages/nustar/news/nustar20120124.html
NASA's NuSTAR Ships to Vandenberg for March 14 Launch

Комментарии

Добавить изображение



Добавить статью
в гостевую книгу

Будем рады, если вы добавите запись в нашу гостевую книгу. Будьте добры, заполните эту форму. Необходимой является информация о вашем имени и комментарии, все остальное – по желанию… Спасибо!

Если у вас проблемы с кириллическими фонтами, вы можете воспользоваться автоматическим декодером AUTOMATIC CYRILLIC CONVERTER.

Для ввода специальных символов вы можете воспользоваться вот этой таблицей. (Латинские буквы с диакритическими знаками вводить нельзя!)

Ваше имя:

URL:

Штат:

E-mail:

Город:

Страна:

Комментарии:

Сколько бдет 5+25=?