Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

Другая серьезная проблема состоит в том, что из-за технических сложностей чрезвычайно возрастает стоимость производственных линий по изготовлению полупроводниковых устройств, или чипов. Цена оборудования такой производственной линии также примерно удваивается каждые три года (забавно, но такая закономерность получила название второго закона Мура) и сейчас уже составляет около 3 миллиардов долларов. Другими словами, нам удается уменьшать размеры транзисторов только за счет резкого удорожания стоимости оборудования и производства. Удорожание производства объясняется прежде всего возрастающей стоимостью литографического оборудования, которое используется для создания многослойных субмикронных паттернов (шаблонов) на полупроводниковых пластинах. В настоящее время производственники возлагают очень большие надежды на так называемую наноимпринтную литографию и молекулярную электронику, что обещает существенно снизить расходы и повысить качество производимых изделий.

Наша фирма уже сейчас инвестировала значительные капиталы в компании, которые стараются угадать характер следующей смены общей парадигмы в производстве элементов вычислительной техники. Мы уверены, что принципиально новые технические решения будут найдены и кривая, описывающая действие закона Мура на рис. 4.1, будет расти и после 2017 года (несмотря на скептицизм самого Гордона Мура!). С другой стороны, выше уже отмечалось, что закон Мура сложным образом связан с отношением характеристики/стоимость, вследствие чего некоторые исследователи в поисках краткосрочных решений пытаются изменить это соотношение именно за счет массовости, то есть резкого удешевления цены отдельных элементов. Читатель может представить себе огромные рулоны (типа бумажных обоев), узоры на которых составлены из массы исключительно дешевых транзисторов. Одна из сотрудничающих с нами компаний сейчас осваивает процессы «осаждения» традиционных транзисторных структур на полимерных матрицах при комнатной температуре, что позволяет организовать массовое и очень дешевое производство некоторых изделий, которые ранее изготовлялись по весьма сложной технологии с выращиванием кремниевых кристаллов, вырезанием из них и обработкой сверхтонких пластин и т. д.

4.3. Молекулярная электроника

При размышлениях о смене парадигмы в вычислительной технике и новых материалах на следующий период развития (его можно назвать посткремниевым) сразу вспоминается молекулярная электроника, которая постепенно становится нанотехнологической альтернативой КМОП-транзисторам. Молекулярные переключатели обещают революцию в вычислительной технике, так как они позволят вместо планарного формирования элементов КМОП-структур (методами осаждения) использовать их объемные сочетания, что приведет к решительным изменениям в методах производства и компоновки схем. Возможно, в начальный период такие молекулярные переключатели будут применяться лишь в некоторых «узких местах» схем, чтобы можно было дольше использовать процессы и стандартные внешние соединения, к которым привыкли специалисты за десятилетия развития кремниевой технологии.

Например, нанотехнологическая фирма Nantero в Вобурне (штат Массачусетс) использует углеродные нанотрубки, «подвешенные» к металлическим электродам на кремнии таким образом, что они образуют так называемые энергонезависимые запоминающие устройства (nonvolatile memory), или чипы с очень высокой плотностью соединений. Идея метода заключается в том, что слабые молекулярные (ван-дер-ваальсовские) силы способны удерживать изогнутые нанотрубки в заданном положении практически бесконечно долго, не требуя дополнительных затрат энергии. К этому можно добавить, что углеродные нанотрубки имеют очень малое сечение (примерно 10 атомов в диаметре) и обладают прекрасными прочностными характеристиками. Будучи в 6 раз легче стали, этот материал в 30 раз прочнее ее, вследствие чего нанотрубки могут одновременно выполнять роль проводов, микроконденсаторов и транзисторов. Помимо сказанного, новая технология позволяет значительно повысить рабочие параметры устройств (быстродействие, плотность монтажа и т. п.) и снизить их стоимость. Одним из важнейших преимуществ энергонезависимых запоминающих устройств выступает то, что на их основе можно создать «мгновенно включающиеся» персональные компьютеры.

Некоторые компании (например, Hewlett-Packard и ZettaCore) пытаются создавать запоминающие элементы на поверхности кремния, используя органические молекулы, способные к самосборке под воздействием химических сил, причем общий ход процесса задается заранее нанесенными на кремниевый чип паттернами или соответствующей экспозицией.

Ниже перечисляются некоторые основные характеристики устройств и их особенности, позволяющие реально рассматривать молекулярную электронику в качестве главного направления для смены парадигмы в изготовлении элементов вычислительной техники, то есть для дальнейшего развития по закону Мура.

•  Размеры. Особую привлекательность молекулярной электронике придает то, что она потенциально позволяет осуществить принципиальную миниатюризацию элементов вычислительной техники, сравнимую с той, которая произошла при переходе к пятой парадигме прошлого века (производство интегральных схем) и обеспечила рост характеристик в соответствии с законом Мура еще на тридцать лет. В 2002 году специалисты фирмы IBM, пользуясь сканирующим туннельным микроскопом, разработали методику манипуляций с отдельными молекулами моноксида углерода, что позволило им создать «триодный» анализатор импульсов на поверхности меди. Размеры этого устройства были в 260000 раз меньше, чем у соответствующей схемы в коммерчески выпускаемых чипах. Воображение человека с трудом воспринимает такие огромные цифры, но для сравнения размеров молекул и создаваемых человеком устройств читатель может представить себе каплю воды и вспомнить, что число молекул в ней в 100 раз превышает число всех транзисторов во всех электрических схемах, выпущенных промышленностью. Особую роль для миниатюризации играет то, что в природе молекулы располагаются в объеме, в то время как создаваемые нами интегральные схемы всегда представляют собой чрезвычайно сложные и тонкие структуры, располагающиеся только на плоской, двухмерной поверхности весьма большой (естественно, по молекулярным масштабам!) и совершенно не используемой кремниевой подложки.

•  Мощность . Одна из главных причин, по которой конструкторы не могут создавать объемные структуры из транзисторов, заключается в тепловыделении, приводящем к расплавлению кремниевых подложек. Строго говоря, даже самые современные транзисторы являются крайне неэффективными устройствами, и их коэффициент полезного действия значительно уступает, например, двигателям внутреннего сгорания. Потребляемая энергия расходуется транзисторами в процессе вычислений крайне расточительно и бесполезно. Для сравнения укажем, что человеческий мозг по эффективности энергопотребления и способности к расчетам превосходит лучшие из существующих процессоров в 100 миллионов раз, уступая последним только в быстродействии (менее 1 кГц). Эффективность работы мозга (в качестве вычислительного устройства) обеспечивается исключительно высокой плотностью внутренних связей в очень небольшом объеме (примерно 100 триллионов синапсов связывают между собой 60 миллиардов нейронов). Будущее вычислительной техники связано только с резким снижением энергопотребления (в пересчете на количество операций) и повышением скорости самих операций.

•  Стоимость производства . Создаваемые в настоящее время молекулярные электронные устройства очень просты и чаще всего представляют собой «покрытия» или самоорганизующиеся структуры из органических соединений. Собственно говоря, требуемая от них сложность как бы предварительно «заложена» в сложную структуру синтезируемых молекул, поэтому процесс изготовления может быть сведен упрощенно к «расплескиванию» химической смеси на подготовленную кремниевую поверхность. Сложность устройства в целом при этом обеспечивается не сложностью технологических процессов обработки и инженерного замысла, а свойствами самих молекул. Нанотехнологии концептуально отличаются от привычных процессов примерно так же, как биологический рост организма отличается от вытачивания детали на станке. Главное отличие заключается в том, что сложность в наноструктурах возникает в результате идущих «снизу вверх» процессов, то есть «задается» какими-то внутренними конформационными изменениями материала, а также слабыми молекулярными силами и поверхностным взаимодействиям участвующих в процессе молекул. Легко заметить, насколько такие процессы отличаются от обычной инженерной технологии изготовления объектов «сверху вниз», основанной на точных операциях и статическом состоянии обрабатываемых изделий.