«МИСиС» и университет «Нотр Дам» работают над новым поколением девайсов и суперкомпьютеров на основе молекулярной электроники

Одноэлектроника 

«Все современные компьютеры работают в т.н. режиме «пьяного матроса». Дело в том, что при любой операции с битами, будь то сохранение или их удаление, у вас происходит существенный перерасход энергии: потребляется как минимум вдвое больше мощности, чем это необходимо. Обратите внимание: с 2003 г. тактовые частоты всех компьютеров фактически перестали расти. Это связано с тем, что мы не можем отвести достаточное количество тепла от наших компьютеров с помощью вентиляторов, наш чип, попросту говоря, будет расплавляться при дальнейших серьёзных шагах по увеличению мощности. А ведь эта расплескиваемая энергия могла бы идти на рост производительности! Какого может быть решение вопроса? Выходом здесь призвана стать наноэлектроника с её передним краем одноэлектроникой. Например, размер транзисторов в планшетах «Ipad» сегодня составляет примерно 20 нанометров. Мы стремимся к размерам транзисторов в 1 нанометр, которые практически не будут рассеивать энергию. Но не всё так просто», - рассказывает Алексей Орлов, приглашённый профессор кафедры «Электрическая инженерия» университета Нотр Дам. 

По словам учёного, сегодня встаёт вопрос ограничений, накладываемых существующими технологиями: «Кремний является тем материалом, который как никакой другой радикально изменил современный нам мир. Полупроводниковые кремниевые технологии легли в основу развития IT-индустрии и средств связи, фактически создав информационное общество, общество, которое характеризуется небывалыми достижениями человечества в интеллектуальной сфере. Однако век этого материала в области компьютерных технологий подходит к концу. Дело в том, что все новые решения хороши, когда следующее поколении более дешево и эффективно по сравнению с предыдущим. А сейчас складывается ситуация, при которой следующий шаг в производстве чипов может быть чуть ли не последним, потому как затрачиваемые ресурсы и получаемый эффект будут несопоставимы. Нам нужны новые материалы, и одним из способов ухода от кремния может стать использование железных наномагнитов. На этих материалах, размером, например, 50 нанометров, уже сегодня собираются целые устройства и схемы, и, на мой взгляд, именно за данным решением стоит будущее компьютерных технологий». 

Одновременно с уменьшение электронной компонентной базы произойдёт и снижение потребляемой мощности. «Уже сегодня новейший чип «Intel Core i7« размером квадратный сантиметр с 10 млрд. транзисторами на нём(чип применяется в современных ноутбуках) потребляет порядка 180 Ватт мощности, что сравнимо с уровнем тока в троллейбусе! Он рассеивает тепло, как если бы одновременно зажечь 7 сигарет. И половина этой энергии попросту «расплёскивается». Именно поэтому нам необходим переход к новым материалам, которые позволили бы канализировать энергию впрок, одновременно уменьшив размеры девайсов. Ещё один пример: для того, чтобы построить суперкомпьютер следующего поколения, нам придётся соорудить около него ядерный реактор, потому как потребляемая энергия будет больше гигаватта», - отмечает Алексей Орлов. 

По словам профессора, в совместном проекте с МИСиС учёных из США интересует прежде всего области физической химии и анализа поверхности, где у московского университета исторически есть серьёзные компетенции. «Одна из проблем, которую нам предстоит решить для создания сверхмаленьких и энергоэффективных устройств, это их правильное «строительство» на уровне атомов, речь идёт о т.н. атомном нанесении слоёв. Нам интересно понимать, как взаимодействуют те или иные материалы на наноуровне при их совмещении, как ведут себя их электроны. Дело в том, что спускаясь на уровни взаимодействия электронов из разных слоёв, может получиться так, что электроны взаимодействовать друг с другом не хотят, материалы попросту не прилипают друг к другу. Вы хотите нарастить плёнку изолятора, а она не хочет расти! Как раз в этом вопросе помощь МИСиС будет очень кстати», - резюмирует Алексей Орлов. 

Справка:

Наноэлектроника - область электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания интегральных электронных схем с характерными топологическими размерами элементов менее микрона (1000 нанометров). 100 микрон это в 10 раз меньше 1 миллиметра. Размер молекулы может составлять нанометр. 

Одноэлектроника это область электроники, занимающаяся разработкой устройств, в которых контролируется движение даже не группы, а отдельных электронов. Например, в одноэлектронных устройствах памяти один электрон эквивалентен одному биту информации. Одноэлектронные транзисторы особенно эффективны в интегральной наноэлектронике, поскрольку позволяют осуществить связь (интерфейс) макроскопического мира с миром наноэлектронных и молекулярных процессов и устройств. 

Транзистор — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналом управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. В общем случае транзистором называют любое устройство, которое имитирует главное свойство транзистора - изменения сигнала между двумя различными состояниями при изменении сигнала на управляющем электроде.