VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Согласно закону Мура, количество транзисторов в чипах удваивается каждые два года. Это эмпирическое правило в течении последних сорока лет задавало темп всей компьютерной индустрии, позволяя компьютерам ежегодно брать новые рубежи мощности. Самые последние образцы транзисторов – это соединения около десятка молекул, при нынешних технологиях уменьшить размер транзистора просто невозможно. К 2020 г. толщина слоя может уменьшиться до пяти атомов. В этот момент вступит в действие принцип неопределенности Гейзенберга, и будет вообще невозможно сказать наверняка, где находится электрон. И тогда в чипе возникнут утечки электричества, а в компьютере — короткое замыкание. В этот момент компьютерная революция и закон Мура уткнутся в глухую стену — ведь законы квантовой механики обойти невозможно. В этом случае возможны два варианта развития событий – либо ищется альтернативный материал, обладающий нужными свойствами, либо развитие вычислительной техники на некоторое время приостанавливается до создания кардинально новых систем, например, квантовых компьютеров.

Обычные компьютеры считают в двоичной системе счисления и оперируют только нулями и единицами, которые называются битами. Но квантовые компьютеры гораздо мощнее. Они могут оперировать кубитами, или квантовыми битами, которые могут принимать и промежуточные между 0 и 1 значения. Представьте себе атом, помещенный в магнитное поле. Он крутится как волчок, и ось его вращения может указывать вверх или вниз. Здравый смысл говорит нам, что спин атома может быть направлен вверх или вниз, но никак не в обе стороны одновременно. Но в странном мире квантов атом описывается как сумма обоих этих состояний, как суперпозиция атома с положительным спином и атома с отрицательным спином. В нечеловеческом мире квантов каждый объект описывается как сумма всех возможных состояний.

Пока что квантовые компьютеры по громоздкости и сложности инфраструктуры не уступают ядерным реакторам. Крохотное вычислительное ядро сопровождается холодильником с рабочей температурой около абсолютного нуля, а также мощными экранами электромагнитных полей. Все это необходимо для поддержания квантовой когерентности атомов, которая иначе будет разрушена агрессивной внешней средой.

Впрочем, есть и несколько иные пути модернизации интегральных микросхем, которые позволяет повысить их производительность и сделать более миниатюрными. Здесь стоит отметить интереснейшую и перспективную инновацию разработчиков Intel – трехзатворный транзистор. Разумеется, затвор в данном случае единственный, однако он огибает канал транзистора, что приводит к лучшему управлению режимом работы компонента микросхемы и, как следствие, повышению ее производительности и снижению потребляемой ей энергии. Согласно мнению специалистов, подобное ноу-хау будет применяться практически во всех микросхемах следующих поколения, изготавливаемых по CMOS-процессу.

Однако производительность интегральной микросхемы зависит далеко не только от возможностей ее основных составных частей, но еще и от скорости передачи электрического сигнала между ними. Но вполне возможно повышение этого показателя до скорости света – за счет применения интеграции на кристалл еще и миниатюрных источников и приемников оптического излучения. «Побочным эффектом» является возможность дальнейшей миниатюризации интегральных микросхем за счет более плотного размещения ее компонентов – это даст возможность следованию закону Мура еще некоторое время, причем без снижения размеров транзисторов. Однако подобные усовершенствования – лишь временное решение основной проблемы – невозможности бесконечной миниатюризации кремниевых микросхем. И здесь на помощь разработчикам должны прийти альтернативные материалы, а одним из наиболее вероятных кандидатов на замену кремнию является графен – структура из атомов углерода толщиной всего в один атом. Уникальные свойства графена таковы, что электроны свободно перемещаются вдоль слоя графена не испытывая взаимодействий с атомами, как это происходит в привычных нам трехмерных структурах. Таким образом, «лист» графена можно рассматривать в качестве идеального канала транзистора, причем его толщина составляет не десятки нанометров, как сегодня, имеет толщину всего в один атом.

Таким образом, сегодня мы стоим перед порогом довольно интересной эры – перехода от традиционной полупроводниковой кремниевой микроэлектроники к более совершенным решениям, отличающимся высочайшей производительностью, рекордной миниатюризацией и экономичностью.

ЛИТЕРАТУРА:

1. http://www.techgate.ru/news.php?newsid=506

2. http://www.3dnews.ru/568580/

3. http://slon.ru/future/kvantovye_kompyutery_kogda_nastupit_novaya_vychislitelnaya_era-840996.xhtml