Группа физиков из Национальной лаборатория имени Лоуренса в Беркли создала первый в мире транзистор, размер затвора которого составляет всего лишь один нанометр. Это на порядок меньше, чем размер затворов самых маленьких по размеру современных транзисторов.
«Нам удалось создать самые маленькие на сегодняшний день транзисторы. Размер затвора — один из основных факторов, определяющих размер самого транзистора. Мы добились радикального снижения размера затвора, доказав возможность дальнейшей миниатюризации электроники», — говорит Али Джави (Ali Javey) из Калифорнийского университета в Беркли (США).
Считается, что из-за квантовых ограничений размер затвора кремниевого транзистора не может быть меньше 5 нм. Если попытаться сделать затвор меньшим по размеру, то на работу элемента будет оказывать негативное влияние туннельный эффект. В этом случае транзистор прекращает выполнять свои функции из-за токов утечки и других проблем.
До граничного показателя в 5 нм производители электронных устройств еще не добрались. Сейчас минимальный размер затвора транзисторов составляет 20 нанометров. Но ученые, как видим, уже доказали возможность преодоления лимита в 5 нанометров. Для того, чтобы обойти ограничение по кремнию, для создания миниатюрных электронных элементов специалисты решили использовать другие материалы: дисульфид молибдена, графена или углеродные трубки.
Ученым из Беркли удалось объединить в единую систему дисульфид молибдена (MoS2) и углеродные нанотрубки. Такая комбинация позволила значительно снизить размеры затвора. Самый маленький транзистор в мире состоит из трех основных слоев. Это подложка из кремния, пластинка из диоксида циркония, проходящая через этот материал углеродная трубка и пленка из дисульфида молибдена. Пленка соединяет исток и сток транзистора. Как и кремний, дисульфид молибдена имеет кристаллическую структуру решетки. Но проходящие по MoS2 электроны тяжелее, чем в кремнии. Это означает, что электроны лучше удерживаются энергетическим барьером затвора.
Ученые говорят о том, что дисульфид молибдена образует листы толщиной в 0,65 нм c низким значением диэлектрической проницаемости. По этой причине небольшие затворы транзисторов смогут вырабатывать электрическое поле, достаточно сильное, чтобы не допустить появления туннельного эффекта. К сожалению, миниатюрные транзисторы, созданные в Беркли — это штучная работа, массово их производить пока нельзя.
«Создав транзистор, мы доказали, что затвор меньшего размера, чем 5 нм — вполне достижимая цель. Это ограничение оказалось преодолимым. И закон Мура может и дальше действовать, при условии, что мы будем выбирать правильные материалы», — заявил Джави. Если специалисты научатся создавать такие транзисторы в промышленных масштабах, то в ближайшее время закон Мура действительно будет продолжать действовать.
Закон Мура выведен Гордоном Муром по результатам эмпирического наблюдения. Согласно закону количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца. Этот «закон» известен уже более полувека. Собственно, это и не закон, но его положения, в целом, справедливы.
Представители Ассоциации полупроводниковой промышленности (Semiconductor Industry Association) этой весной опубликовала исследование, согласно которому в ближайшие шесть лет закон Мура перестанет действовать. Причина — в предельном размере затворов транзисторов, о чем было написано выше. Одна из предлагаемых альтернатив — это создание 3D-чипов с вертикальным расположением ядер, а не горизонтальным. Правда, в этом случае появляется еще одна важная проблема — это перегрев чипов. При объемной конструкции чипы будут нагреваться намного сильнее, и в этом случае во всех системах с электронными компонентами с ветикальной компоновкой ядер нужно будет использовать жидкостное охлаждение.
Некоторые эксперты считают, что закон Мура не выполняется с приписываемой ему точностью. Вполне может быть, что он известен только благодаря корпорации Intel и ее маркетинговой политике. Тем не менее, сейчас это уже больше, чем маркетинг, поскольку многие технологические компании обращают внимание на закономерность, названную законом, долгое время определяющую темпы развития полупроводниковой индустрии.
С момента появления появилось несколько интерпретаций закона Мура:
- производительность микропроцессоров удваивается каждые два года;
- плотность транзисторов на чипе увеличивается в два раза каждые 18 месяцев;
- чипы одного и того же типа становятся в два раза дешевле каждые 18 месяцев;
- производительность (вычислительная мощность) ПК увеличивается каждые 18 месяцев;
- число транзисторов в новых чипах удваивается каждые два года.
Результаты работы ученых были опубликованы 7 октября в журнале Science.
Комментарии (32)
arheops
10.10.2016 00:08+3Достижение сомнительно. Учитывая, что тут используется карбоновая трубка, которую 1) сложно сделать в большом количестве в нужных местах 2) невозможно сделать длиной равной ширине.
ChALkeRx
10.10.2016 08:08-3Оба ваших пункта — дело техники, они показали, что ограничение в 5 нм, которое раньше считалось абсолютным теоретическим минимумом, не действует.
Tiberius
10.10.2016 10:51+2Приведите, пожалуйста, ссылку на работу, где, когда и кем это считалось?!
geisha
10.10.2016 13:14+2Думаю, речь идет о теоретизированиях директора DAPRA:
https://www.cnet.com/news/end-of-moores-law-its-not-just-about-physics/
Для тех, кому лень копипастить: он 2013 году сказал, что у них нету никаких планов продвигать технологию меньше 5 нм. Вероятно, это будет концом закона Мура (что есть теория).
arheops
10.10.2016 13:42+1Нет, вы не правы. Размер ЭЛЕМЕНТА менее 5нм ЭКОНОМИЧЕСКИ НЕОПРАВДАН, если применяется промышленная литография, поскольку переоснащение заводов будет стоить(в соответствии с текущим трендом при каждом уменьшении) просто нереальные деньги равные 100+ доходам всей индустрии. А теоретическая граница — одна молекула. В лабораторных условиях возможен теоретический предел.
geisha
10.10.2016 13:56+1Ну давайте тогда, просветите нас конкретнее почему переход на 7 нм — оправдан, а на 5 — нет?
BelyaevAG
10.10.2016 12:25Возможно, благодаря этому сомнительному достижению появился повод научиться делать трубки в большом количестве и в нужных местах. А там, того и гляди, ещё в каких отраслях пригодится.
ilya_1
10.10.2016 00:11>> Сейчас минимальный размер затвора транзисторов составляет 20 нанометров.
А у меня процессор в десктопе 14нм. Или у вас старые данные или опять проделки маркетологов
Ilyasyakubov
10.10.2016 10:19+2Таки проделки маркетологов. Техпроцесс XX нм говорит о разрешении литографического оборудования а не о размере транзистора. Сам транзистор больше.
CorneliusAgrippa
10.10.2016 11:38+5Техпроцесс говорит не о разрешении литографического оборудования (оно гораздо хуже, меньше 50 нм напрямую напечатать современной промышленной литографией [иммерсионной 193 нм] нереально). Technology node (то, что у нас называется «техпроцесс») — это электрическая длина затвора: скорость переключения транзистора зависит от длины затвора, таким образом измерив максимальную скорость переключения, мы можем посчитать длину затвора — это и будет то число, которое используется для маркировки техпроцесса.
Когда размеры были большими (больше 65 нм), физический размер затвора и электрический практически совпадали, но дальше началось расхождение — чем дальше, тем больше. Странно, что в википедии написано, что это началось с технологии 22 нм — когда я работал на заводе GF и мы выпускали чипы по технологии 28 нм (LTE для 5-х айфонов), реальный физический размер затвора был около 54 нм. Справедливости ради добавлю, что контактные окна к транзисторам были размером как раз 28 нм.
Так что маректологи тут особо не при чем.
Aquarius-Michael
10.10.2016 12:25-114 нм — это техпроцесс, насколько точно можно нанести рисунок на поверхность, чтобы получить желаемую структуру без искажений. А размер транзистора и затвора имеет другой размер, побольше.
Halt
10.10.2016 06:48+2Заголовок желтый. Все таки, есть разница между размерами всего транзистора в сборе и одной из его частей.
ChALkeRx
10.10.2016 08:10Согласно закону количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца. Этот «закон» известен уже более полувека. Собственно, это и не закон, но его положения, в целом, справедливы.
В чуть более общем случае — система с положительной обратной отдачей развивается в первом приближении по экспоненте.
ChALkeRx
10.10.2016 08:18Это я к тому, что в таких статьях не совсем понятно, как смена чипов с транзисторами на что-то ещё будет по сути противоречить этому закону.
График стоимости производительности в первом приближении выглядит как экспонента даже если мы полностью абстрагируемся от транзисторов и добавим на него системы с лампами и системы с перфокартами.
gearbox
> Но проходящие по MoS2 электроны тяжелее, чем в кремнии.
o_O
qbertych
Эффективная масса электрона
Tiberius
Таки тяжелее, и таки MoS2 не самая лучшая кандидатура для высокогерцовых процессоров (грется будут слишком сильно), лучше уж графеновые нанорибоны выпиливать гелиевым пучком…
geisha
Они их разных миров: 1D и 2D. Или, если хотите в 2D, полуметалл и полупроводник. Кроме того, мне всегда казалось, чем меньше щель (хм, band gap), тем больше напряжение необходимо для работы, следовательно, больше мощности рассеивается.
В общем, вы можете предоставить ссылку на соответствующее исследование?
Tiberius
почему из разных-то? MoS2 — планарный, 3 атома толщиной и графеновые рибоны — планарные, но 1 атом толщиной.
geisha
Потому что графеновый нанорибон — это одномерная структура. Графен и 2D MoS2 — двумерные. Графит и MoS2 — трёхмерные.
Dr-Good
Тоже не понял, с чего это вдруг электроны стали менять свою массу. Речь скорее все идет о так называемых электронах проводимости, больше математических модельных частицах, которыми описывают поведение электронов в полупроводниках, или если хотите квазичастицах электрона, эффективная масса которых может значительно отличаться от массы реального электрона. Чисто квантовая история, но имеет место быть:)
geisha
«больше математических модельных частицах»
Они так и называются — электроны и дырки. Если вас что-то напрягает в терминологии, то сообщаю вам, что те «настоящие» электроны тоже являются квазичастицами: коллективным поведением кварков, из которых они состоят.
Dr-Good
я знаю тему достаточно поверхностно, так что… спасибо за пояснение, настоящий электрон конечно в этом смысле тоже квазичистица
qbertych
Октябрь на дворе. Деревья пожелтели, птицы улетели в теплые края, а на гиктаймсе началось осеннее обострение. В этом сезоне нас ждут упоительные истории про электроны из кварков и одномерные нанориббоны (то-то весь мир краевые эффекты в них изучает). А все новые и непонятные вещи будут громко называть "квазичастицами".
Dr-Good
C'est La Vie))
Tiberius
Окей, гугл: Эффективная масса электрона
на eng с картинкам, на ru с формулами
k155la3
По нынешним представлениям все лептоны — неделимы. Такие же фундаментальные((С), не мой) частицы, как и кварки.
А в твёрдом теле «электрон», конечно, квазичастица, со своей Мэфф вовсе не равной 0.511МэВ/c^2