Новый вариант одноатомного транзистора: до практического применения еще далеко
Современные компьютеры и гаджеты – это, прежде всего, огромное количество транзисторов. На заре появления микропроцессоров количество транзисторов в них достигало нескольких тысяч (первый коммерческий процессор Intel 4004, представленный в конце 1971 года, имел 2300 триодов), однако по мере хода времени это количество быстро росло и замедлилось лишь в последнее время с общей стагнацией производительности вычтехники.
Так, появившийся в начале 90-х первый Pentium содержал уже несколько миллионов транзисторов, а процессор Intel Core 2 Duo середины «нулевых» - 582 млн.
В настоящее время процессоры как ПК, так и гаджетов, содержат уже миллиарды транзисторов. Процессор Apple A11 Bionic содержит 4,3 млрд транзисторов, Intel Core i7 (в зависимости от модификации) - от 2,6 до 3,2 млрд транзисторов.
Эмпирически явление роста числа транзисторов в процессорах получило название закона Мура. В 1965 году, через шесть лет после изобретения интегральной схемы, один из основателей Intel Гордон Мур в процессе подготовки выступления обнаружил закономерность: появление новых моделей микросхем наблюдалось спустя примерно год после предшественников, а количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивалось каждые 24 месяца. Практика показывает, что с момента выпуска первого процессора по настоящее время закон Мура соблюдается достаточно точно.
Но поскольку транзисторов становится все больше, они сами становятся все меньше. Ширина затворов современных транзисторов Intel составляет 14 нм. В настоящее время уже созданы прототипы транзисторов с 1 нм затвором. Но продвигаться дальше сложно, так как минимальный транзистор – это атом (ковалентный радиус атома кремния равен 0,111 нм). Именно это – теоретический предел, до которого могут уменьшаться транзисторы, далее необходимо искать им замену.
Хотя рабочий одноатомный транзистор был создан учеными еще в 2012 году (им стали атомы фосфора среди атомов кремния, внедренные в кристаллическую решетку), он функционировал только при температурах, близких к абсолютному нулю. Однако к рабочему транзистору, даже при сверхнизких температурах, ученые шли долго: так, еще в 2002 году был создан одноатомный транзистор, который не был полностью работоспособным.
Новая разработка немецкого Технологического института Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology), расположенного в одноименном городе земли Баден-Вюртемберг, стала продолжением серии экспериментов по созданию одноатомного транзистора в жидком электролите.
Ученые института Карлсруэ считают, что в перспективе этот транзистор может стать основой квантовых вычислительных систем. Поскольку он не нуждается в охлаждении и может работать при комнатной температуре, то созданные на его основе вычислительные системы сулят почти фантастическую вещь – потребление электроэнергии может быть снижено в 10 тысяч раз.
Высокая энергоэффективность предложенной транзисторной структуры достигнута не в последнюю очередь за счет того, что в них исследователи не применяли полупроводники. Применены были исключительно металлы.
Созданный немецкими исследователями одноатомный транзистор представляет собой два металлических контакта с зазором между ними в один атом. В зазоре находится твердый электролит, полученный из жидкого состояния путем высокотемпературного воздействия. С помощью импульса тока, приложенного к контактам, в зазор вводится атом серебра, который замыкает цепь (транзистор переходит в открытое состояние). Обратный импульс выводит атом серебра из зазора, размыкая цепь и запирая транзистор. Размер одноатомного транзистора меньше применяемых в современной электронике в несколько сотен раз, а количество одноатомных транзисторов может быть в 40 тысяч раз больше на одной единице площади (впрочем, это даст закону Мура временной запас всего на 30 лет, так как 215 = 32 768).
Но намного более практичным результатом станет фантастическая энергетическая революция, которая даст отличные результаты в борьбе с изменениями климата.
В настоящее время электронные, вычислительные приборы потребляют 10% от всей электроэнергии на планете, причем подавляющее большинство этой электроэнергии приходится на ЦОДы и сервера, а также криптофермы (по этой причине, в частности, для них часто строят независимую электростанцию с возобновляемым источником энергии). Ноутбук или гаджет потребляют не слишком большое количество электроэнергии - ноутбук несколько десятков ваттов в час (сравнимо с мощностью слабой лампы накаливания), а гаджеты и того меньше. Например, iPhone 5s – 5,96 Вт/ч, а iPhone X несколько больше – 10,35 Вт/ч (при чем эта мощность потребляется исключительно при зарядке девайса).
Кажется, это немного, но вся сеть Интернет построена на огромном массиве серверов, тратящих большое количество электроэнергии, чтобы с любого девайса можно было зайти на желаемую страницу во Всемирной паутине. Создание одноатомных транзисторов позволило бы избежать необходимости обеспечивать их значительным количеством энергоресурсов.
Однако массовое внедрение одноатомных процессоров – пока будущее весьма далекое, и широкое распространение их ожидается в квантовых компьютерах в достаточно отдаленном будущем.
Опубликовано 29.08.2018