Znajdź zawartość

Od dekad to krzem pozostaje głównym materiałem konstrukcyjnym elektroniki, mimo że jest to coraz trudniejsze, producenci coraz bardziej zwiększają gęstość upakowania krzemowych elementów, zachowując prawo Moore'a. Ale już niedługo zdolność krzemowej technologii do rozwoju skończy się nieodwracalnie: negatywne zjawiska towarzyszące miniaturyzacji zastopują ją najdalej za dziesięć lat, być może nawet wcześniej - z powodu wykładniczo rosnących kosztów wdrażania coraz precyzyjniejszych technologii. Materiałem, w którym od lat upatruje się kandydata na następcę krzemu jest grafen. Niestety, ze względu na całkowicie odmienne właściwości (nie do końca przy tym poznane) nie da się go tak po prostu użyć w miejsce krzemu, konieczne jest opracowanie technologii dosłownie od zera. Chociaż więc po grafenie oczekuje się, że pozwoli na tworzenie układów scalonych mniejszych i szybszych, na razie gra toczy się nie o to, żeby zrobić lepiej, ale żeby w ogóle zrobić cokolwiek. Od laboratorium do fabryki - daleka droga Przez długie lata większość badań koncentrowała się na tzw. grafenie eksfoliowanym. Pierwsze płatki grafenu uzyskano odrywając z grafitu pojedynczą warstwę atomów przy pomocy taśmy klejącej. To co wystarcza naukowcom dla producentów jest jednak niczym - im potrzeba materiału łatwego w wytwarzaniu i obróbce, pewnego, zachowującego się przewidywalnie i skalowalnego. Materiałem, w którym również upatrywano kandydata były węglowe nanorurki - rurki złożone z pojedynczej warstwy atomów węgla. Mimo zadziwiających właściwości ich praktyczne zastosowanie pozostaje żadne: trudno je wytwarzać w pożądany i przewidywalny sposób. Zajmujący się nanorurkami naukowiec Georgia Tech, Walt de Heer, uznał, że nigdy nie nadadzą się one do zastosowań przemysłowych, przynajmniej w dziedzinie elektroniki. Zauważył jednak, że skoro ich właściwości elektryczne wynikają głównie z istnienia pojedynczej warstwy atomów, praktyczniej będzie taką rurkę rozwinąć i rozpłaszczyć, czyli wyhodować na płaskiej powierzchni. Stąd wziął się pomysł, a potem technologia produkcji grafenu epitaksjalnego, czyli hodowanego na odpowiednio przygotowanej powierzchni. Technika ta pozwala na przeniesienie charakterystyki warstwy bazowej na strukturę atomową tworzonej warstwy epitaksjalnej. Materiałem bazowym jest powszechnie stosowany węglik krzemu, do którego można stosować znane już technologie wytwarzania elektroniki. Przez umiejętne podgrzewanie powoduje się migrację atomów krzemu, pozostawiając sam węgiel - czyli uzyskuje się precyzyjnie kontrolowaną warstwę grafenu. Tą metodą udało się wyprodukować siatkę składającą się z 10 tysięcy grafenowych tranzystorów na powierzchni 0,24 cm2 - to rekord, którym szczyci się Georgia Tech. Warstwy grafenu, jakie wytwarzane są w laboratoriach, poddawane są skrupulatnym badaniom. Epitaksjalny grafen dra de Heera zachowuje się niemal doskonale tak, jak wynika z teoretycznych symulacji, pozwalając zaobserwować oczekiwane właściwości, na przykład występowanie kwantowego efektu Halla. Obok prac nad skalowalnością procesu, równie ważne są prace nad tworzeniem struktur wielowarstwowych. Niedawno udało się wykazać, że dodawanie nowych warstw nie zakłóca właściwości warstw już istniejących. Ciekawostką jest to, że taki wielowarstwowy grafen jest czymś innym od grafitu: w graficie kolejne warstwy atomów obrócone są o 60º. W wielowarstwowym grafenie zaś o 30º - czyli jest to całkowicie nowy materiał. Epitaksjalne wytwarzanie grafenowych warstw pozwoliło ominąć jeszcze jedną technologiczną trudność. Podczas wykorzystywania innych technologii problemem były nierówne krawędzie nanoelementów. Ponieważ właściwości grafenu mocno zależą od jego kształtu (potrafi on nawet być raz przewodnikiem a raz półprzewodnikiem), jeśli krawędzie grafenowych elementów nie były idealnie gładkie, pojawiały się niepożądane opory w przepływie prądu, upływy itp. Technologia epitaksji pozwala zachować idealne krawędzie. Do ciekawostek należą odnalezione we współpracy z NIST (National Institute of Standards and Technology) właściwości grafenu pozwalające wpływać na jego właściwości przy pomocy precyzyjnie aplikowanych pól magnetycznych. Grafen - Concorde elektroniki Czy zatem grafen zastąpi krzem? Według zajmujących się nim naukowców po pierwsze nie tak szybko, po drugie nie do końca. Niekompatybilność właściwości starego i nowego materiału nie pozwoli tak po prostu przesiąść się na nowe technologie, które początkowo będą drogie. De Heer uważa, że przez długi czas krzem i grafen będą koegzystować - krzem w roli elektroniki popularnej i niedrogiej, grafen - do bezkompromisowych zastosowań, jak choćby bardzo zminiaturyzowane i szybkie układy, nie do osiągnięcia na bazie krzemu. Posługując się analogią sądzi on, że wchodzenie nowej technologii podobne będzie do rywalizacji lotnictwa z transportem morskim i kolejowym. Rozwijające się lotnictwo pasażerskie, pomimo wysokich cen, miało chętnych, dla których była ważniejsza szybkość. Do dziś jednak, mimo spadku cen i coraz większej masowości, stare metody transportu nie zanikły i wciąż się rozwijają.

Od dawna czynione są zabiegi, żeby podtrzymać prawo Moore'a, które dla układów krzemowych wkrótce się załamie. Przypomnijmy sobie, że prawo to mówi, że gęstość upakowania elementów układów scalonych podwaja się co dwa lata. Tymczasem wytwórcy układów pamięci uważają, że nie da się zejść z wielkością elementu poniżej 10 nanometrów. Pamięci flash dotrą do nieprzekraczalnej bariery jeszcze szybciej - w ich przypadku to 20 nanometrów. Pojawia się jednak szansa: lekceważony do tej pory tlenek krzemu. Naukowcy z Rice Uniwersity już pokazali działający układ pamięci z elementami wielkości 10 nanometrów. W zeszłym roku zespołowi profesora Jamesa Toura udało się zademonstrować funkcjonujący bit pamięci w postaci grafitowego drucika grubości 10 nanometrów. Odpowiednio dobrane napięcie na zmianę przerywało połączenie i przywracało je na żądanie, mniejsze napięcie pozwalało oczywiście na odczyt stanu. To zwiastowało nowy rodzaj trwałej pamięci, choć wówczas nie wiedziano jeszcze, w jaki sposób to działa. Nic dziwnego jednak, że prace kontynuowano, a zajęli się nimi wspólnie z prof. Tourem: Douglas Natelson, Lin Zhong i Jun Yao. To właśnie Jun Yao wytrwale szukał materiałów mogących zastąpić grafit. Po serii eksperymentów zarzucił całkiem odmiany węgla oraz metale i skupił się na tlenku krzemu, który jest - w przeciwieństwie do krzemu - izolatorem. Niełatwo było mu przekonać innych do tego materiału, który jest jednym z najlepiej przebadanych związków w nauce. Nie uważano, żeby tlenek krzemu był przydatny do wytwarzania układów elektronicznych. Tymczasem właśnie jego wada - przebicia - stała się zaletą. Cienka warstwa tlenku krzemu, umieszczona pomiędzy warstwami z polikrystalicznego krzemu, pod wpływem przyłożonego napięcia, ulega przemianie. Atomy tlenu wypadają ze związku i pomiędzy elektrodami formuje się cienki łańcuch nanokryształów krzemu. Ten cienki drucik daje się przerywać i łączyć przy pomocy napięcia elektrycznego identycznie, jak nanodrucik z grafitu, a ma grubość zaledwie pięciu nanometrów. To genialne w swej prostocie rozwiązanie - chwalą pomysł inżynierowie Rice University. W przeciwieństwie do standardowych elementów pamięci, „bit" tlenku krzemu nie przechowuje ładunku, więc wymaga tylko dwóch, zamiast trzech połączeń. Warstwy układów pamięci mogą również być łatwo nakładane na siebie, pozwalając na tworzenie trójwymiarowych, miniaturowych i bardzo pojemnych struktur pamięci. Rozwiązanie ma też inne zalety: bardzo dużą szybkość przełączania (poniżej 100 nanosekund), bardzo dużą wytrzymałość oraz kompatybilność ze standardowymi układami krzemowymi. Oznacza to, że można je łatwo wdrożyć do zastosowań komercyjnych. Tlenek krzemu jest również odporny na promieniowanie, co oznacza przydatność w zastosowaniach militarnych i kosmicznych. Układy takie będą również odporne na przykład na rozbłyski słoneczne. Powstał już pierwszy, działający układ pamięci tlenko-krzemowej o pojemności jednego kilobajta. Tlenek krzemu jest już wykorzystywany prze firmę NuPGA - założoną na bazie patentów inżynierów Rice University - tworząca programowalne macierze bramek. Takie macierze z tlenku krzemu, umieszczone pomiędzy warstwami układów scalonych, pozwalają na programową rekonfigurację połączeń pomiędzy nimi. Szlak dla układów pamięci opartych na tlenku krzemu jest więc już przetarty i - miejmy nadzieję - pojawią się one jak najszybciej na rynku.

Gordon Moore, legendarny założyciel Intela i twórca słynnego prawa Moore’a, mówił podczas konferencji IDF o zbliżającym się momencie, w którym jego prawo przestanie obowiązywać. Moore w 1965 roku stwierdził, że liczba tranzystorów w układzie scalonym zwiększa się dwukrotnie co dwa lata. Prawo to obowiązuje do dzisiaj i pozwala przewidywać rozwój technologii. Teraz Moore stwierdził, że będzie ono ważne jeszcze przez około 10-15 lat. Później miniaturyzacja osiągnie taki poziom, iż utraci ono znaczenie. Powstają już pierwsze prototypy przełączników w skali atomowej, ale wkrótce i to może nie wystarczyć. Wiadomo, że we wspomnianym przez Moore’a terminie dojdziemy do kresu możliwości miniaturyzacji. Bardziej nie da się już zmniejszyć poszczególnych elementów układu scalonego. W chwili obecnej nikt nie jest w stanie przewidzieć, jak w przyszłości będą rozwijały się komputery.

Naukowcy pracujący dla HP dokonali odkrycia, które pozwoli na przedłużenie ważności prawa Moore’a. Gordon Moore, współzałożyciel Intela, stwierdził, że liczba tranzystorów w układzie scalonym podwaja się co 18-24 miesięcy. Stwierdzenie to dotychczas się sprawdza. Układy scalone osiągnęły już jednak taki stopień miniaturyzacji, że, jak twierdzą uczeni, w ciągu najbliższych lat dojdziemy do fizycznej granicy, poza którą nie będzie możliwe dalsze pomniejszanie elementów układu scalonego. Wówczas prawo Moore'a przestanie obowiązywać. Naukowcy przewidują, że po przekroczeniu granicy 20 nanometrów pojawią się poważne, trudne do przezwyciężenia przeszkody. Poniżej 10 nanometrów technologia CMOS osiągnie swe fizyczne granice. Tymczasem Intel rozpocznie w bieżącym roku produkcję układów w technologii 45 nanometrów. Pracownikom HP udało się połączyć tradycyjną technologię CMOS z podzespołami wielkości nanometrów. Powstał w ten sposób hybrydowy układ o dużym upakowaniu tranzystorów, mniejszym poborze prądu oraz znacznie bardziej odporny na wady produkcyjne, niż obecnie wykonywane kości. HP twierdzi, że nowa technika pozwoli na budowę układów, w których gęstość upakowania poszczególnych elementów będzie nawet ośmiokrotnie większa, niż w obecnie spotykanych kościach. Zastosowanie technologii CMOS oznacza natomiast, że obecnie stosowane linie produkcyjne wymagałyby jedynie niewielkich przeróbek, po których mogłyby produkować układy nowego typu. To znacząco obniża koszty zastosowania nowej technologii. Pomysł HP polegał na umieszczeniu przełącznika wykonanego w skali nano na strukturze stworzonej w technologii CMOS. Swoją architekturę HP nazywa FPNI (Field Programmable Nanowire Interconnect – programowalna struktura połączeń nanokablami). To odmiana stosowanej obecnie architektury FPGA (Field Programmable Gate Array – programowalna macierz bramek logicznych). To zarówno nowa architektura jak i nowy sposób tworzenia połączeń, który pozwala na zredukowanie przestrzeni potrzebnej do połączenia ze sobą tranzystorów – mówi Rob Lineback, analityk z IC Insights. Jeśli HP rzeczywiście opracowało coś, co zmienia reguły gry, może mieć to olbrzymie znacznie dla użytkowników końcowych. Dodaje jednak, że jest zawsze sceptyczny wobec podobnych doniesień. Tymczasem HP ogłosiło, że w ciągu roku pokaże działający prototypowy układ, wykorzystujący nową technologię produkcji. Pracujący dla tej firmy naukowcy stwierdzili, że "zachowawcza” odmiana ich technologii, która będzie korzystała z 15-nanometrowych nanokabli użytych w 45-nanometrowym procesie CMOS, będzie gotowa do wdrożenia nie później niż w 2010 roku.

Badacze IBM-a zaprezentowali z Zurychu przełącznik składający się z pojedynczej molekuły. Jego ustawienia można zmieniać pomiędzy stanami "włączony" i "wyłączony" za pomocą impulsów elektrycznych. Oba stany są stabilne, a odczyt danych nie prowadzi do zmiany stanu przełącznika. Podczas pokazu badacze IBM-a Heike Riel i Emanuel Lörtscher zmienili stan przełącznika ponad 500 razy. Wykorzystana molekuła organiczna ma średnicę 1,5 nanometra, jest więc około stukrotnie mniejsza niż elementy obecnie wykorzystywane do tych zamych zadań. Molekułę wyprodukował zespół profesora Jamesa M. Toura z Rice University w Houston. Technologia CMOS, którą wykorzystują obecne komputery, osiągnie granicę swych fizycznych możliwości za 10 do 15 lat. Najmniejsze stosowane obecnie struktury w układach scalonych mają wielkość około 40 nanometrów. Ich dalsze zmniejszanie jest koniecznością, jeśli Prawo Moore'a ma zachować ważność. Zakłada ono, że gęstość upakowania tranzystorów w półprzewodniku zwiększa się dwukrotnie co 18 miesięcy. Naukowcy przewidują, że po przekroczeniu granicy 20 nanometrów pojawią się poważne, trudne do przezwyciężenia przeszkody. Poniżej 10 nanometrów technologia CMOS osiągnie swe fizyczne granice. Badania IBM-a dają nadzieję na to, że w przyszłości molekuły organiczne posłużą do budowanie układów pamięci i obwodów logicznych. Elektronika molekularna, korzystająca z molekuł o średnicy jednego nanometra (jedna milionowa milimetra) pozwoli na dalszą, daleko bardziej posuniętą miniaturyzację niż jest to możliwe przy wykorzystaniu współczesnych technik.