Chúng ta đang nói về những lựa chọn thay thế cho silicon.
/ hình chụp Unsplash
Định luật Moore, Định luật Dennard và Quy tắc Coomey đang mất dần sự phù hợp. Một lý do là các bóng bán dẫn silicon đang tiến gần đến giới hạn công nghệ của chúng. Chúng tôi đã thảo luận chi tiết về chủ đề này . Hôm nay chúng ta đang nói về những vật liệu trong tương lai có thể thay thế silicon và mở rộng hiệu lực của ba định luật, nghĩa là tăng hiệu suất của bộ xử lý và hệ thống máy tính sử dụng chúng (bao gồm cả máy chủ trong trung tâm dữ liệu).
ống nano carbon
Ống nano carbon là những hình trụ có thành bao gồm một lớp carbon đơn nguyên tử. Bán kính của các nguyên tử cacbon nhỏ hơn bán kính của silicon nên các bóng bán dẫn làm bằng ống nano có độ linh động điện tử và mật độ dòng điện cao hơn. Kết quả là tốc độ hoạt động của bóng bán dẫn tăng lên và mức tiêu thụ điện năng của nó giảm xuống. Qua các kỹ sư từ Đại học Wisconsin-Madison, năng suất tăng gấp năm lần.
Việc ống nano carbon có đặc tính tốt hơn silicon đã được biết đến từ lâu - những bóng bán dẫn đầu tiên như vậy xuất hiện . Nhưng chỉ gần đây các nhà khoa học mới khắc phục được một số hạn chế về công nghệ để tạo ra một thiết bị đủ hiệu quả. Ba năm trước, các nhà vật lý từ Đại học Wisconsin đã được đề cập đã trình bày một nguyên mẫu của bóng bán dẫn dựa trên ống nano, hoạt động tốt hơn các thiết bị silicon hiện đại.
Một ứng dụng của các thiết bị dựa trên ống nano cacbon là thiết bị điện tử dẻo. Nhưng cho đến nay công nghệ này vẫn chưa vượt ra ngoài phòng thí nghiệm và chưa có thảo luận nào về việc triển khai đại trà.
Dải nano graphene
Chúng là những dải hẹp rộng vài chục nanomet và một trong những vật liệu chính để tạo ra bóng bán dẫn trong tương lai. Đặc tính chính của băng graphene là khả năng tăng tốc dòng điện chạy qua nó bằng từ trường. Đồng thời, graphene độ dẫn điện lớn hơn silicon.
Trên , bộ xử lý dựa trên bóng bán dẫn graphene sẽ có thể hoạt động ở tần số gần terahertz. Trong khi tần số hoạt động của các chip hiện đại được đặt ở mức 4–5 gigahertz.
Nguyên mẫu đầu tiên của bóng bán dẫn graphene . Từ đó các kỹ sư quá trình "lắp ráp" các thiết bị dựa trên chúng. Rất gần đây, những kết quả đầu tiên đã thu được - một nhóm các nhà phát triển từ Đại học Cambridge vào tháng XNUMX về việc đưa vào sản xuất . Các kỹ sư cho biết thiết bị mới có thể tăng tốc độ hoạt động của các thiết bị điện tử lên gấp XNUMX lần.
Hafnium dioxide và selenide
Hafnium dioxide cũng được sử dụng trong sản xuất vi mạch . Nó được sử dụng để tạo ra một lớp cách điện trên cổng bóng bán dẫn. Nhưng ngày nay các kỹ sư đề xuất sử dụng nó để tối ưu hóa hoạt động của bóng bán dẫn silicon.
/ hình chụp PD
Đầu năm ngoái, các nhà khoa học từ Stanford , rằng nếu cấu trúc tinh thể của hafnium dioxide được tổ chức lại theo một cách đặc biệt thì nó (chịu trách nhiệm về khả năng truyền điện trường của môi trường) sẽ tăng hơn bốn lần. Nếu bạn sử dụng vật liệu như vậy khi tạo cổng bóng bán dẫn, bạn có thể giảm đáng kể ảnh hưởng .
Ngoài ra các nhà khoa học Mỹ giảm kích thước của các bóng bán dẫn hiện đại bằng cách sử dụng selenua hafnium và zirconium. Chúng có thể được sử dụng làm chất cách điện hiệu quả cho bóng bán dẫn thay vì oxit silic. Selenide có độ dày nhỏ hơn đáng kể (ba nguyên tử), trong khi vẫn duy trì khoảng cách dải tốt. Đây là chỉ báo xác định mức tiêu thụ điện năng của bóng bán dẫn. Các kỹ sư đã một số nguyên mẫu hoạt động của các thiết bị dựa trên selenua hafnium và zirconium.
Bây giờ các kỹ sư cần giải quyết vấn đề kết nối các bóng bán dẫn như vậy - để phát triển các tiếp điểm nhỏ thích hợp cho chúng. Chỉ sau đó mới có thể nói về sản xuất hàng loạt.
Molypden disulfua
Bản thân Molybdenum sulfide là một chất bán dẫn khá kém, có tính chất kém hơn silicon. Nhưng một nhóm các nhà vật lý từ Đại học Notre Dame đã phát hiện ra rằng màng molypden mỏng (dày một nguyên tử) có những đặc tính độc đáo - các bóng bán dẫn dựa trên chúng không truyền dòng điện khi tắt và cần ít năng lượng để chuyển đổi. Điều này cho phép chúng hoạt động ở điện áp thấp.
Nguyên mẫu bóng bán dẫn Molypden trong phòng thí nghiệm. Lawrence Berkeley vào năm 2016. Thiết bị này chỉ rộng một nanomet. Các kỹ sư cho biết những bóng bán dẫn như vậy sẽ giúp mở rộng Định luật Moore.
Ngoài ra bóng bán dẫn molypden disulfide năm ngoái kỹ sư từ một trường đại học Hàn Quốc. Công nghệ này dự kiến sẽ được ứng dụng trong các mạch điều khiển của màn hình OLED. Tuy nhiên, vẫn chưa có cuộc thảo luận nào về việc sản xuất hàng loạt các bóng bán dẫn như vậy.
Mặc dù vậy, các nhà nghiên cứu từ Stanford rằng cơ sở hạ tầng hiện đại để sản xuất bóng bán dẫn có thể được xây dựng lại để hoạt động với các thiết bị “molypden” với chi phí tối thiểu. Liệu có thể thực hiện được những dự án như vậy hay không vẫn còn phải xem trong tương lai.
Những gì chúng tôi viết trên kênh Telegram của mình:
Nguồn: www.habr.com