Эпоха кремниевых чипов подходит к концу. Новые процессоры выходят горячими, а про закон Мура все забыли. Неужели развитие электроники остановится? Какими будут процессоры будущего? Есть ли замена кремнию?
Пока еще новые техпроцессы худо-бедно появляются: В 2026м TSMC обещает нам 2-нм чипы, а может слегка раньше появится непонятный техпроцесс Intel 20A. Но вы же знаете, что это маркетинг. Качественного уменьшения размера транзистора нам ждать не стоит.
И причина тут в физике — минимальный размер затвора кремниевого транзистора составляет 5 нм. Пять кремниевых нанометров – это предел.
При меньшем значении просто не получится создать транзистор — он не будет работать как переключатель, электроны будут свободно туннелировать через его канал не обращая внимания на запрещенную зону. Иными словами, такой транзистор будет всегда включен — так что никакой магии вычислений не будет.
И чем меньше маркетинговый техпроцесс — тем ближе мы к этому физическому пределу, и тем существенней становится эффект туннелирования, мешая проводить вычисления.
Конечно, чипмейкеры всеми силами пытаются эту проблему решить — так, можно уменьшать другие части транзистора, или делать затвор хитромудрой формы — например, в виде плавника, откуда и пошла технология finfet в которой транзисторы по сути трехмерные.
Однако все эти ухищрения привели к тому, что плотность транзисторов в чипах серьезно выросла, и сейчас в кусочке кремния размером с ноготь могут быть сотни миллиардов крошечных переключателей, активно выделяющих тепло при работе друг над другом. И отвод тепла от этого бутерброда — серьезная проблема.
Что, если не кремний?
Глядя на все эти проблемы, вызванные кремнием на закате жизни, возникает вопрос — а почему бы не сменить этот химический элемент на что-то другое? Ведь едва ли он такой один в таблице Менделеева, насчитывающей уже больше сотни элементов. Все верно — не один. Существует такой металл как германий, из которого также можно делать полупроводники.
Более того, первые транзисторы в конце 40ых именно из этого металла и делали. У него в три раза выше электропроводность, меньше напряжение — а значит и потери тепла — на p-n-переходе и меньше сопротивление открытого канала — в общем, германий кажется лучше кремния в полупроводниках, однако уже к 60ым от него почти полностью отказались.
Причин было сразу три. Во-первых, этот металл гораздо дороже и встречается реже кремния, которого почти 30 % в земной коре. Кремний там второй после кислорода.
Во-вторых, у германия гораздо меньше термостабильность, то есть при нагреве он быстрее теряет свои характеристики, к тому же есть проблемы с окислением.
Ну и в-третьих, у него хуже теплопроводность — то есть отводить тепло сложнее, чем от кремниевого чипа. Все это привело к тому, что эпоха германиевых компьютеров оказалась такой же короткой, как и ламповых — дальше пришлось переходить на кремний.
Эпоха чистого германия закончилась лет 60 назад. НО мы живем во времена продвинутых сплавов и сложных химических соединений. Вспомните Т-1000 из терминатора 2! Неужели нельзя прокачать германий, чтобы он стал лучше кремния для производства полупроводников? Оказывается, можно, и такое вещество зовется германан.
По сути это как графен, только из германия – тонкая одноатомная пленка.
Ее производство – отдельный вид искусства, когда сначала делается слоеный пирог из графена и кальция, после чего последний вымывается водой, которая в процессе отдает свой водород, делая германиевые связи прочнее и позволяя отделять однослойные пленки этого металла.
Как оказалось, такие пленки проводят ток в десять раз лучше кремния, да и вопросы с охлаждением тут не стоят так остро.
Но, разумеется, все еще до коммерческого производства пока далеко – создавать германан научились лишь в лабораториях, и пока нет ни одного готового чипа на его базе.
Однако германан – это еще не все, есть другое соединение на базе которого даже удалось создать полупроводниковый чип.
Называется оно дисульфидом молибдена, или же — молибденит. Сейчас его в основном используют для создания различных сплавов, однако у него есть отличные полупроводниковые свойства, работающие при таких крошечных размерах, когда кремний окисляется до стекла. Так, ученым удалось довести толщину молибденита до 0.65 нм при полном сохранении полупроводниковых свойств.
И самое главное – удалось создать на его базе полупроводниковый фотодиод, который в 5 раз чувствительнее кремния. Это позволит создавать в будущем еще более светочувствительные матрицы для камер.
Но существуют ли идеальный химический элемент, который может заменить кремний? Да, это углерод. Это даже иронично – основа нашей жизни может стать и основой будущих терминаторов, хотя и надо признать, что в крайне необычной форме.
Называется это необычное соединение углеродными нанотрубками и представляет собой листы графена, которые свернули в рулон. И да, они также являются полупроводниками, причем атомной толщины, к тому же их электропроводность втрое выше кремния.
Интересно, что на основе таких углеродных нанотрубок уже удалось сделать первый чип с 14 000 транзисторов.
Правда, его техпроцесс не поражает воображение – всего лишь около микрометра, то есть уровень кремниевых процессоров 80-ых годов, однако все же это полноценный чип, на котором уже удалось запустить программу уровня «привет, мир».
В будущем ученые планируют уменьшать размер нанотрубок и тем самым создавать более быстрые и эффективные чипы – но все еще это достаточно далекое будущее.
Все это заставляет задать вопрос – а есть ли уже замена кремнию, которую может купить и пощупать любой человек, а не только пара ученых в крупных лабораториях? Да, есть – зарядки с нитридом галлия, или GaN. Этот полупроводник стал популярным в 90-ые, на его основе делались первые белые светодиоды и некоторые виды синих лазеров.
Его особенность в том, что производить электронику на его основе можно на тех же заводах, где делают кремниевые полупроводники.
Но при этом нитрид галлия имеет более широкую запрещенную зону, что позволяет ему работать при больших напряжениях или меньшем нагреве, чем кремний – и это свойство очень нужно в компактных зарядках, где его и стали активно применять.
Отказ от КМОП
Хорошо, с первым подходом разобрались – можно заменить кремний на другое вещество, до физического лимита которого еще далеко.
Но ведь есть и второй путь – отказаться от привычных нам КМОП-транзисторов и перейти на что-то другое.
КМОП расшифровывается как комплементарная структура металл-оксид-полупроводник, и подавляющее большинство современных микросхем базируется на этом принципе, который был изобретен еще в 60-ых.
И возникает логичный вопрос – а что если пойти совсем другим путем и не отказываться от кремния, а изменить сам принцип работы микросхем?
Этот подход схож со сменой процессорных архитектур: так, Apple показала, что ее ARM-чипы M1 могут быть и ощутимо мощнее, и ощутимо холоднее многих современных х86-чипов от AMD и Intel. Возможно, отказ от КМОП-транзисторов сделает тоже самое? Что ж, такие идеи действительно есть, причем уже не только на бумаге – существуют так называемые туннельные или TFETS-транзисторы.
Они работают совершенно по-другому в отличие от полевых транзисторов: если для последних туннелирование электронов – это провал, транзистор не может закрыться и превращается в проводник, то вот TFETS-транзисторы именно на этом эффекте и работают.
Все дело в том, что туннелирование выглядит как обман физики: логично, что если у электрона не хватает энергии для преодоления потенциального барьера, то он остается за ним, если ему не сообщить недостающую энергию.
Однако эффект туннелирования позволяет электронам даже с недостаточной энергией «просачиваться» через этот барьер.
Иными словами, это позволяет TFETS-транзисторам работать при меньших напряжениях, чем обычным КМОП. Более того, уменьшение размера затвора тут ничем не грозит – чтобы избежать избыточного туннелирования нужно просто еще больше снизить напряжение – что к тому же приводит к меньшему выделению тепла. Неужели победа? Увы, не все так просто.
Во-первых, для производства туннельных транзисторов необходим графен — только это вещество обладает нужными свойствами. Во-вторых, для работы таких транзисторов требуются сверхнизкие температуры – увы, водянкой тут не обойтись, нужен жидкий азот. Так что ученым еще необходимо провести множество исследований, прежде чем мы увидим первые гаджеты на TFETS-транзисторах.
И раз уж мы уходим от классических КМОП-транзисторов, нельзя не вспомнить про мемристоры – нет мемы, тут не причем. Мемристоры были разработаны на бумаге еще в 70-ых годах, и их название происходит от слов memory – память и резистор.
И это отлично описывает их главную особенность – если резистор это просто электрическое сопротивление, которое никак не меняется, то вот мемристор обладает эффектом памяти.
Иными словами, он изменяет свою проводимость в соответствии с количеством протекшего через него электрического заряда.
«Без российских компонентов мировое производство микросхем встанет» — Газета.Ru
Перенос производства
–Самым «тонким местом» отечественных технологий являются процессоры. Сейчас производство «Байкалов«и «Эльбрусов» под вопросом из-за санкций. В теории производство можно перенести с Тайваня в Россию?
– Пока это невозможно, потому что у нас нет заводов. Для того, чтобы организовать хотя бы один завод в РФ, нужно иметь оборудование, квалифицированные кадры, также нужен контракт на выпуск печатных плат. Все это очень дорого. Кроме того, наш климат также увеличивает стоимость фабрики, потому что нужно будет поддерживать высокий уровень влажности на производстве.
До санкций никто не задумывался всерьез о том, чтобы освоить производство. Просто никто не верил, что это все могут перекрыть. Думать об инвестициях в эту сферу начали только сейчас.
Развитие этой области требует десятки, даже сотни миллиардов долларов, поэтому проще было закупать из-за границы готовое оборудование, те же процессоры.
Конечно, экономически невыгодно вкладываться в такое производство, но это важнее для суверенитета страны, чем покупки импортных устройств и микрочипов. Сейчас нужно поднимать такое производство, другого варианта просто нет.
- close
- 100%
– Но мы пока в России будем строить фабрики, производство отечественных процессоров ведь можно куда-то перебазировать?
– Единственное предприятие, куда можно перенести производство— это SMIC [Semiconductor Manufacturing International Corporation — крупнейшая китайская компания, занимающаяся производством микроэлектроники] в Шанхае.
Но дело в том, что оно тоже попало под санкции.
Поэтому АSML [нидерландская компания, крупнейший производитель литографического оборудования для микроэлектронной промышленности] им, как и нам, не продает оборудование под новый техпроцесс.
Плюс все равно не нужно исключать Тайвань.
Вначале TSMC [Taiwan Semiconductor Manufacturing Company — тайваньская компания, занимающаяся изучением и производством полупроводниковых изделий] заявила о прекращении производства процессоров «Эльбрус» и «Байкал», но позже ее руководство сделало совершенно другие заявления, сказав, что если они все-таки введут озвученные санкции, то ответными санкциями Россия просто выключит компанию из производственных циклов.
– Что нужно для того, чтобы открыть производство процессоров на новом месте?
– Чтобы перенести производство, нужно подстроить архитектурные особенности под программное обеспечение фабрики.
Это занимает где-то год-полтора работы. Но это при том, что на предыдущей фабрике все процессы были отработаны.
Если что-то было не доделано, то процесс затянется еще на какое-то время. Наши специалисты считают, что в Китае на SMIC они запустятся за год-полтора.
- – Кроме ASML закупить оборудование не у кого?
- – Это монополист на рынке оборудования для производства современных сверхтонких техпроцессов, который из-за санкций не продает нам ничего.
- – Как же была допущена такая монополия?
– Они освоили процесс производства литографических сканеров, а другие нет. У других не хватает образованных кадров или нет инвестиций.
– Сейчас наши чипы производятся только на Тайване?
– Микропроцессоры – да. Все-таки они рассчитаны на 28 и 16 нанометров, в России такого оборудования и производства нет. Если мы говорим о 16 нм и ниже, то такого оборудования нет даже в Китае.
Тайваньская фабрика – самая крупная в мире. Китай пытается сделать что-то подобное, в частности, SMIC. Но эта фабрика все равно не дотягивает, потому что, недостаточно квалифицированных кадров.
Тот же Китай последние годы просто переманивает людей с тайваньской фабрики. И достаточно успешно, но опять же, теперь у них из-за санкций нет оборудования, необходимого для производства сверхтонких процессоров.
– Почему нужных кадров так мало?
– Это очень сложное производство. Сотрудники должны уметь обращаться с программами, в которых они создают цифровые копии будущих микросхем. Кроме того, профессионалы должны уметь создавать из цифрового варианта уже настоящий процессор. Таких людей очень мало в мире в целом, взять их негде.
Можно сделать свой кремний
– Какие еще есть варианты развития микроэлектроники в России?
– Например, не делать ставку на кремниевые технологии, потому что они, в принципе, подошли уже к своему пределу.
Можно переключиться на арсенид галлия, это тоже отличный полупроводник. Из него можно развить производство микроэлектроники.
Сейчас России нет смысла включаться в гонку за кремний, потому что технология будет неактуальной буквально через несколько лет. Следует инвестировать и включаться в гонку за более перспективными технологиями, более совершенными. Россия должна стать законодателем моды, а не догонять страны Запада.
– Почему именно арсенид галлия?
– Кремниевые технологии подошли уже к своему пределу. Этот предел — один нанометр. У галлия есть плюс, потому что он позволяет делать не только плоские микросхемы, а и объемные, которые не будут упираться в пределы нанометра.
В чем проблема техническая? При производстве фотошаблона процессора мы упираемся в кристаллическую структуру, то есть уже в атомы. Чтобы увеличить производительность, фотошаблон должен быть меньше, чем размер атома. Это нонсенс, это невозможно.
Единственный способ увеличить мощности — это увеличение количества транзисторов, нам нужно идти в объемные структуры. Кремниевые технологии этого не позволяют из-за особенности материала, а арсенид галлия позволяет.
– Вы упомянули, что Россия должна стать законодателем моды, когда это может произойти?
– Хороший вопрос. Сейчас очень быстро все меняется. Поэтому с умным видом делать экспертное заключение о том, что столько-то лет понадобится — это очень сложно. Это просто будут какие-то цифры, взятые с потолка.
При текущем уровне наших технологий и при условии быстрого переноса производства мы сможем довольно быстро это сделать, может быть даже до конца десятилетия. Вопрос в том, что, если у нас будут проблемы с производством, а на Западе их не будет, то мы продолжим отставание. И этот разрыв может усугубляться.
– От каких российских компонентов зависит Запад?
– Ответными санкциями Россия может просто выключить из производственных циклов тот же завод TSMC.
Некоторые материалы, необходимые для производства микроэлектроники, поставляются из России. Например, сапфировые подложки, сверхчистая химия, редкоземельные элементы. Без российских компонентов мировое производство микросхем встанет.
Поэтому мы будем наблюдать в скором времени некое отрезвление от санкционного угара.
– Запад не может найти других поставщиков?
– Если говорим про сапфировые подложки, то Россия в производстве искусственных сапфиров занимает порядка 40% мирового производства. А если мы говорим про рынок подложек для производства микросхем, то здесь Россия уже занимает 80%.
Почему в других странах так не случилось? Производство есть и в Китае, и на Тайване, и в США, в Калифорнии. Но и Калифорния, и Тайвань — это сейсмоактивные зоны. Любой толчок приводит к тому, что надо перезапускать производство.
В Китае производства появились не так давно, и они просто не вышли на наш уровень. Чтобы нас догнать им понадобится лет 20-30. Кроме того, производство некоторых химических элементов есть только в России.
Пост-кремниевое будущее
Компания IBM начинает исследовательские программы, направленные на разработку пост-кремниевой электроники следующего поколения
Представители компании IBM на днях объявили об инвестициях суммой три миллиарда долларов в две научно-исследовательские программы, целью которых является разработка новых технологий и новой вычислительной архитектуры для пост-кремниевой электроники следующего поколения, способной обеспечить соблюдение закона Гордона Мура еще достаточно долгое время.
Обе программы нацелены на разработку технологий «7 нанометров и меньше», технологий, которые будут коренным образом отличаться от существующих технологий изготовления кремниевых кристаллов современных цифровых чипов.
Для реализации своих идей специалисты компании IBM сосредоточатся на исследованиях в области углеродной наноэлектроники, кремниевой фотоники, новых технологиях памяти и вычислительной архитектуре на основе технологий квантовых, нейросинаптических вычислений и искусственного интеллекта.
В настоящее время компания IBM выпускает основную массу процессоров, изготовленных по технологии 22 нанометра, кроме этого уже существуют опытные образцы процессоров, изготовленных по 14-нанометровой технологии и не за горами появление 10-нанометровых кристаллов.
Однако, для перехода от 10-нанометровых технологий к 7-нанометровым потребуется новый качественный рывок, который позволит решить массу проблем технологического плана за счет использования принципиально новых методов производства и инструментов.
Граница 7 нанометров является той границей, после которой количество технологических проблем увеличится лавинообразно при условии следования традиционным методам кремниевой электроники. Поэтому, для преодоления той границы потребуется использование принципиально новых материалов, а главными кандидатами на эту роль являются графен и углеродные нанотрубки. Кроме этого, преодолеть вышеупомянутую границу могут помочь новая вычислительная архитектура и технологии организации вычислений, такие, как квантовые, фотонные и нейросинаптические технологии.
Согласно прогнозам специалистов IBM Research, главным кандидатом на суб-семи нанометрвые технологии являются углеродные нанотрубки.
И специалистам компании уже удалось продемонстрировать первые логические элементы CMOS NAND, состоящие из нескольких транзисторов, располагающихся на единственной нанотрубке, длиной 50 нанометров.
Кроме этого, специалисты компании уже владеют технологией изготовления углеродных нанотрубок, которая позволяет получить конечный продукт, чистотой 99.
99 процента, и технологией изготовления нанотрубочных транзисторов, размером 10 нанометров, которые не подвержены деградации по времени и по времени их работы. Проведенные моделирования показали, что эти транзисторы на основе углеродных нанотрубок могут обеспечить прирост производительности процессоров в пять-десять раз по сравнению с обычными кремниевыми транзисторами.
Вторым кандидатом на роль материала электроники будущего является графен, форма углерода, кристаллическая решетка которого имеет толщину в один атом. Графен является превосходным проводником электрического тока, он невероятно прочен и гибок.
Электроны перемещаются по графену в 10 раз быстрее, чем в среде традиционных полупроводниковых материалов, таких, как кремний и германий.
Это означает, что транзисторы на основе графена смогут переключаться очень быстро, что было использовано специалистами компании IBM для создания интегрального приемника системы радиосвязи, продемонстрированного в 2013 году.
Одним из перспективных направлений развития электроники является область кремниевой фотоники, которая при помощи импульсов света может обеспечить быструю передачу огромных массивов информации как между различными функциональными частями одного чипа, так и между разными чипами вычислительной системы, в том числе и между частями суперкомпьютеров. Из-за этого кремниевая фотоника рассматривается как перспективное средство для решения так называемой проблемы «больших данных». В этом направлении специалистам компании IBM удалось создать и продемонстрировать первый монолитный фотонный приемопередатчик, обеспечивающий функцию мультиплексирования каналов по длине волны света.
Полупроводниковые материалы III-V группы также рассматриваются в качестве материалов электроники следующего поколения в качестве высокоэффективных преобразователей энергии света в электричество. Эти материалы обладают подвижностью электронов, на порядок превышающую этот показатель у кремния, и внедрение этих материалов в структуру CMOS-чипов позволит этим чипам работать на более высоких скоростях при более низком напряжении, рассеивая в окружающую среду гораздо меньшее количество энергии в виде паразитного тепла.В области технологий квантовых вычислений специалистам компании IBM также удалось добиться значительных успехов. Они продемонстрировали узел, выполняющий процедуру проверки на четность, реализованный при помощи трех сверхпроводящих кубитов, который имеет возможность стать одним из стандартных блоков квантового компьютера будущего.
Еще одним и наиболее перспективным направление развития вычислительных технологий будущего специалисты компании IBM относят область нейросинаптических вычислений.
Это подразумевает создание вычислительных узлов или законченных систем, работа которых стремится быть максимально похожей на работу головного мозга человека, самой быстродействующей, самой эффективной и самой малогабаритной вычислительной системы биологического происхождения. В настоящее время компанией уже созданы первые нейросинаптические чипы, насчитывающие сотни и тысячи электронных аналогов нейронов и синапсов, а в ближайшей перспективе компания планирует создать систему, насчитывающую 10 миллиардов нейронов и 100 триллионов синапсов, которая будет потреблять всего один киловатт энергии и занимать объем не более одного литра.
Истовый инженер — Полупроводниковые материалы для вычислительной техники будущего: что будет после кремния и почему
Меня зовут Дмитрий Муратов, я занимаюсь исследованием новых типов материалов для наноэлектроники и тонкопленочных устройств на кафедре функциональных наносистем и высокотемпературных материалов Национального исследовательского технологического университета МИСиС.
Периодически в СМИ появляются новости о том, что найдено новое соединение, которое может полностью изменить сферу современной электроники. Однако до сих пор большинство устройств работают на основе кремния.
В этой статье речь пойдет о том, почему кремний продолжают использовать для создания микросхем и процессоров, в связи с чем в последние годы ему ищут замену и какие компании сейчас лидируют в индустрии полупроводников.
Давайте начнем.
Сегодня на основе кремния (Si) производят интегральные микросхемы для большинства современных электронных приборов. На бытовом уровне это смартфоны и планшеты, а на более профессиональном — рабочие станции, сервера и суперкомпьютеры. На мой взгляд, востребованность кремния в электронике связана с тремя основными причинами:
- Стоимость сырья. Кремний получают из кварцевого песка. Кварц — один из самых распространенных минералов в земной коре. Другие полупроводники гораздо дороже добывать и очищать.
- Удобство. Из кремния и металлических контактов можно собирать МОП-структуры — металл — оксид( SiO2) — полупроводник (Si) — непосредственно на одном кристалле, например, для полупроводниковых транзисторов.
- Температура. Кремний стабильнее некоторых других полупроводников. И работает в диапазоне от комнатной температуры до 150 °C.
Однако у этого элемента есть два главных недостатка. Во-первых, это ограничение по частоте — выше 5 ГГц процессоры сейчас не работают, так как кремний не может функционировать на более высоких частотах.
И, во-вторых, существует ограничение с оксидом кремния.
Это как раз тот слой, который удобно делать для полупроводниковых транзисторов, но, оказывается, в структурах менее 5–10 нм он плохо работает и его нужно чем-то заменять.
Эти недостатки не позволяют существенно увеличить быстродействие и снизить тепловыделение современных вычислительных устройств, поэтому развитие в области центральных и видеопроцессоров пошло по пути многоядерности.
Применение многоядерной архитектуры также приводит к росту производительности, но накладывает ограничение на разработчиков, которым приходится оптимизировать программы для параллельных вычислений, что не всегда возможно.
В связи с этим возникает потребность найти замену кремнию.
Альтернатив множество, но все они существенно дороже в производстве, и главное — возможный ресурс по сырью в большинстве случаев ограничен.
Среди новых материалов можно выделить карбид кремния (SiC), арсенид галлия (GaAs), нитрид галлия (GaN) и другие менее разработанные, но не менее интересные соединения.
В том числе халькогениды переходных металлов и производные графена, которые тоже обладают полупроводниковыми свойствами, то есть не проводят ток так же хорошо, как металлы, но и не являются полностью изоляторами.
На мой взгляд, наибольший потенциал по замене кремния имеет смешанная технология с применением материалов с высокой диэлектрической проницаемостью, таких как оксид гафния, для создания диэлектрического слоя вместо оксида кремния в МОП-структуре. Еще одна наиболее интересная и теоретически проработанная технология — использование нитрида галлия, на данный момент он применяется в полупроводниковых лазерах.
Также потенциал есть и у карбида кремния.
Например, в 2015 году компания Toyota объявила о результатах испытаний гибридных автомобилей, оснащенных блоками питания, в которых стандартный кремний заменен на карбид кремния.
Пробег таких автомобилей на том же количестве топлива вырос на 5 %. Это стало возможно за счет повышения эффективности силовых полупроводников и уменьшения сопротивления проходящего тока.
На данный момент графен — невероятно тонкий лист углерода толщиной в один атом — является самым изученным двумерным материалом. Двумерными называются соединения, которые состоят из одного слоя кристаллической решетки атомов.
Первые работы, показывающие уникальные свойства графена, были сделаны с помощью куска графита и скотча учеными русского происхождения Андреем Геймом и Константином Новосёловым. В 2010 году их наградили за это Нобелевской премией.
Графен — перспективный материал, однако в сфере полупроводников его проблема в том, что у него нет так называемой запрещенной зоны, то есть состояния, когда он не проводит ток вообще. Эту проблему можно решить разными способами, но это сложно и дорого. Мои коллеги из США, например, делают графеновые наноленты, у которых есть свойства полупроводников.
Несмотря на это компании ведут разработки с графеном. Например, Huawei проводила исследования в области терморегуляции смартфонов, Samsung планирует выпустить смартфон на графеновой батарее. Кроме того, недавно канадская компания ORA Graphene Audio представила первый потребительский продукт из графена — наушники.
Массовая индустрия полупроводников — это производство чипов памяти и процессоров для мобильных устройств и вычислительных центров. Для этих целей продолжают использовать кремний.
Среди мировых лидеров в этой отрасли: американские Intel, AMD, Qualcomm и Apple, британская ARM, которая разрабатывает процессоры для смартфонов, уже упомянутый южнокорейский Samsung и китайский Huawei. Но заводов по производству устройств на передовых технических процессах очень мало, это мощности тайваньской TSMC, заводы Intel и Samsung.
Все остальные более отсталые в этом плане. И сейчас, похоже, самое высокотехнологичное оборудование есть только у TSMC, больше никто не может делать процессы с настолько тонкой структурой.
Что еще интересно, ключевой компонент в оборудовании всех этих заводов — установки для ультрафиолетовой литографии — производит вообще практически одна компания в мире — голландская ASML.
В России, насколько мне известно, разработки по полупроводниковой тематике сводятся к проектированию устройств на архитектурах «Эльбрус» (ultrasparc) и «Байкал» (ARM) для оборонной промышленности либо к производству печатных плат для различных изделий. Кроме того, в стране есть производство высокочистого кремния и завод по изготовлению кремниевых солнечных панелей.
Предприятия типа «Ангстрем» имеют немного устаревшее оборудование AMD, но вполне годятся для производства чипов общего назначения с низкими запросами на быстродействие. Есть производство отдельных полупроводниковых устройств, в том числе транзисторов на заводе «Пульсар».
С остальными разработками всё довольно грустно, так как в нашей стране на них просто нет спроса, а отставание в технологическом плане от мировых лидеров, скорее всего, сильно снижает и общемировой спрос на нашу продукцию.
Что касается фундаментальных исследований полупроводников, то они идут. Есть научные фонды и специальные программы. Но даже если мы создадим какие-то устройства на базе новых материалов и всё проверим, их можно будет только положить в стол или продать на Запад, потому что у нас, к сожалению, это вряд ли кого-то заинтересует.
- Нобелевскую лекцию Андрея Гейма.
- Статью о перспективах двумерных халькогенидов переходных металлов.
- Подборку материалов о двумерных соединениях.
Оборудование без кремния: материалы и технологии, которые делают это возможным
Кремний, несомненно, является базовым элементом для создания полупроводников, и вся современная полупроводниковая технология основана на использовании кремниевых слитков для создания новых микросхем, поскольку этот материал обладает превосходными свойствами для этой задачи. Вот почему мы не можем ожидать, что использование бессиликоновой электроники даже даст нам производительность, которая приближается к этому.
Однако есть рынки, где использование микросхем, созданных без кремния, обещает стать революционным и развернуться на 180 градусов, не считая изменения способа нашего повседневного взаимодействия. Понятно, что процессоры на основе бессиликоновой электроники имеют большое количество полезных выходов. Поэтому давайте посмотрим на некоторые примеры, разработанные в последние годы.
Наномагнитная логика и углеродные нанотрубки
Одним из ключей к использованию материалов, отличных от кремния, является замена использования электрических сигналов альтернативными формами. Один из них является наномагнитный логика, основанная на использовании наномагниты где можно создавать процессоры не из кремния, а из других металлов. Поскольку не будет использоваться электрический ток, эти процессоры работают с очень низким энергопотреблением и позволят внедрить их в местах, где зависимость от энергии для работы процессора больше не будет проблемой.
Другое решение — углеродные нанотрубки, которые основаны на использовании молекул графена, которые имеют особенность использования в качестве полупроводникового материала, такого как кремний, и поэтому ожидается, что это будет материал, который больше всего обещает, когда дело доходит до заменить кремний. На данный момент не заявлено ни одного коммерческого процессора, а значит, для массового рынка. Однако графен рассматривается как материал, предназначенный для решения некоторых присущих кремнию проблем, и рассматривается скорее как материал будущего и заменяющий его, чем как альтернатива.
Микроконтроллеры без пластика и силикона
В июле 2021 года ARM представила то, что они назвали ПластикАРМ , первый в истории процессор, полностью сделанный из пластика, и нет, даже не представить себе чего-то сопоставимого даже с APU для бюджетных смартфонов, поскольку это очень примитивный одноядерный микроконтроллер с 32-битным ядром на основе ISA ARMv7 , 128 байт Оперативная память и 456 байтов ПЗУ, что является реализацией Cortex M0. Конечно, с очень скромной скоростью 20 кГц , так что есть огромный запас для улучшения, хотя мы принимаем во внимание тип используемого материала, а именно то, что пластик точно не известен как проводящий элемент электричества.
В чем его главное преимущество? Они очень дешевы в производстве по сравнению с обычными микросхемами.
И какая от этого польза? Что ж, многие, например, мы можем поместить его в контейнер для еды и объединить его с небольшими датчиками, которые всегда предупреждают о состоянии еды, и это не единственная полезность, поскольку она также будет служить для хранения такой информации, как как его химический состав, его питательная ценность или даже его аллергены. И дело не только в еде, но и в одежде. Вы выбросили этикетку любимой одежды и испортили ее при стирке? Не беспокойтесь об этом, так как вы снова сможете проверить информацию.
Другая утилита предназначена для создания карт и / или карт в настольных играх, где каждый элемент, имеющий один из этих микроконтроллеров, не содержащих кремния, может напрямую взаимодействовать с другими картами или даже с игровой доской.
Мы даже можем найти элементы мерчандайзинга и продвижения с этим типом интегрированных чипов, которые взаимодействуют с другими устройствами. Представьте, например, что вы покупаете готовый к выпечке продукт, в котором вам нужно только связать пластиковый микроконтроллер с духовкой, и что это настраивается напрямую.
Как видите, утилит много, и, безусловно, подавляющее большинство еще не реализовано.
Стекло, оптические интерфейсы и «оборудование без силикона»
Здесь мы собираемся обмануть, так как стекло частично состоит из кремния. Когда мы говорим о процессорах или аппаратном обеспечении, не содержащих кремния, мы имеем в виду те, которые созданы не из слитков очищенного кремния, поэтому стекло попадает в эту категорию. У нас есть пример ИонКью компания, которой удалось разработать основные элементы конструкции процессоров из этого материала.
Мы уже говорили, что сегодня большая проблема для развития оборудования заключается в затратах энергии на перемещение данных.
Проблема, которая на уровне домашних ПК нас не волнует, но является призраком будущих разработок в самых мощных суперкомпьютерах.
Как решить проблему расхода и повысить производительность? Использование оптических интерфейсов, в которых вместо электронов используются фотоны для передачи информации.
Проблема в том, что конструкция из стекла намного дороже и менее гибка, чем из пластика.
А пока за пределами интерфейсов для подключения видеокарт на большом расстоянии или для строительства и посредники на массовом рынке, похоже, нет спроса на использование высокоскоростных интерфейсов, построенных без кремния.
Давайте не будем забывать, что использование процессоров на основе нескольких микросхем на промежуточном устройстве — это не хлеб насущный, и поэтому потребуется время, чтобы увидеть вставки для стекла, и, конечно же, в продуктах с очень ограниченным тиражом или для очень специализированных рынков.
Загрузка...
