BTC/USD 4487.28 -0.76%
ETH/USD 132.47 -2.68%
LTC/USD 33.30 -1.23%
BRENT/USD 63.25 1.15%
GOLD/USD 1226.30 26.42%
RUB/USD 65.95 0.55%
Tokyo
Moscow
New-York

Материалы цифровых устройств будущего

0

Материалы цифровых устройств будущего

Регулярно вокруг нас находится множество цифровых устройств, в основе работы которых — кремний и полупроводниковые микросхемы. Однако темпы роста их производительности регулярно замедляются, требуя применения новых материалов. Стремительное развитие интернета вещей, искусственного интеллекта, робототехники, 6G-сетей и квантовых компьютеров заставляет производителей искать альтернативные пути повышения эффективности устройств. В статье мы рассмотрели причины постепенного ухода от кремния и возможные материалы, которые смогут заменить его в различных сферах.

Достижение предела производительности

Мы живем в эпоху цифровых технологий, основанных на компьютерных схемах, обрабатывающих электронные сигналы. Сейчас они обычно состоят из кремния, который является полупроводником и отлично подходит для решения различных задач. В 1965 году один из основателей Intel Гордон Мур заметил закономерность, согласно которой каждый год количество транзисторов на единицу площади чипа удваивалось, а затраты производства сокращались вдвое. Современный смартфон содержит более 200 млрд транзисторов. Так называемый закон Мура успешно работал 50 лет, но сейчас динамика развития замедляется.

Период удвоения уже сейчас составляет 1,5 года и продолжает увеличиваться. Это означает, что кремниевые чипы приближаются к пределу производительности из-за отставания от текущего роста потребности в повышении скорости обработки, светочувствительности и снижения латентности. Хотя речь не идет о замене кремния в ближайшее время. Исследователи говорят, что до 2025 года эффективность будет коррелировать с законом Мура. До 2040 года кремний будет доминировать на рынке, а возможно, и потом будет частично использоваться в цифровых системах.

Чипы выделяют тепло в процессе работы, поэтому исследователи изучают вопросы сверхпроводимости, новые способы охлаждения и квантовую механику для создания альтернативных способов расчетов. Сейчас производительность повышают за счет охлаждения оборудования до экстремально низких температур, но этот способ принесет 4–10 дополнительных лет масштабирования мощности и памяти.

Какие инновационные материалы вытеснят кремний?

Сложные полупроводники

Полупроводники следующего поколения изготавливаются из двух или более химических элементов, что делает их более быстрыми и эффективными. Например, нитрид галлия превосходит кремний по показателям скорости (в 100 раз), чувствительности к свету и излучению, что делает его привлекательным для таких технологий, как 6G и беспилотные транспортные средства.

Подобные материалы уже начинают использоваться, а в перспективе они приведут к революции в индустрии интернета вещей. Стивен Доран, генеральный директор британской компании Compound Semiconductor Application Catapult, говорит, что сложные полупроводники повлияют на развитие IoT так же, как интернет на общение.

Графен под микроскопом

Двумерные материалы

Многие слышали об уникальных физических свойствах графена, углеродных трубок и подобных материалов. Они состоят из одного или нескольких слоев атомов, соединенных в кристаллическую решетку. Помимо высокой прочности они обладают огромными показателями тепло- и электропроводности, что делает их очень перспективными для наноэлектроники будущего.

Недавние исследования обнаружили, что графен имеет уникальный принцип передачи и хранения электрического заряда в своей атомной решетке. Однако потребуются годы на изменения технологий, так как сейчас это направление в основном развивается в исследовательских лабораториях, а их производство медленное и дорогостоящее. Хотя кремниевым устройствам тоже потребовались десятилетия изысканий для достижения достаточного промышленного уровня.

Атомная решетка кристалла под электронным микроскопом

Атомная эра

Ученые сейчас говорят о единичных атомах как отдельных элементах будущих устройств. В существующих накопителях 1 бит занимает около 100 тыс. атомов, что дает значительный запас для дальнейшего совершенствования методов хранения данных.

Команда французских ученых Института физики EPFL недавно провела успешный эксперимент в этой области. Они доказали, что информация на отдельных намагниченных атомах может быть не только записана, но и удалена с помощью изменения температуры. Это дает возможность ее повторной записи.

Ученые из Университета Альберты представили технологию хранения данных, основанную на манипулировании отдельными атомами водорода. Исследователи IBM также продемонстрировали подобный способ хранения данных на отдельной базовой единице вещества.

Дэвид Гарольд, вице-президент по маркетинговым коммуникациям Imagination Technologies, говорит, что отдельные атомы по своей природе менее устойчивы, чем крупные структуры, а это ведет к повышению риска потери и искажения информации. Поэтому потребуются дополнительные методы контроля и исправления ошибок, над которыми ученые уже работают.

Какие инновационные материалы вытеснят кремний?

Алмазы

Помимо классических компьютерных систем активно развиваются квантовые, которые используют принципы суперпозиции и запутанности элементарных частиц. Однако, в отличие от битовых, в основе их работы лежат кубиты. Обычно для вычислений и передачи информации в них используются фотоны. Помимо необходимости сохранения состояния неопределенности, они чувствительны к внешнему влиянию и очень неустойчивы. Поэтому классические способы обмена данными не подходят.

Сразу несколько групп исследователей считают, что алмазы помогут в решении этих проблем. Ученые из Гарварда и Кембриджа создали сверхтонкие алмазные струны с различными примесями, которые можно использовать для создания квантового интернета или увеличения времени хранения информации кубитов. Команда из Нидерландов представила похожий проект и в ближайшие несколько лет планирует создать сеть между институтами в четырех городах страны.

Физики из Принстонского университета обнаружили, что кремниево-вакансионные алмазы испускают фотоны с фиксированной частотой, что также можно использовать для создания квантового интернета. Хотя такая система может работать вечно, но для достижения необходимого уровня излучения необходимо огромное давление.

Магнитная левитация суперпроводника в жидком азоте

Темпоральные структуры

Группа физиков из Университета Центральной Флориды обнаружила, что в структуре сжатого вещества Hf2Te2P может существовать более одной электронной модели. Наличие сразу нескольких квантовых свойств позволяет использовать его для передачи и хранения энергии на субатомном уровне.

Компания D-Wave представила модель трехмерного сверхпроводящего материала, способного изменять свойства под воздействием магнитного поля, включая фазы с неупорядоченным состоянием. Эта особенность позволит применять его для создания микросхем квантовых компьютеров.
Достаточно давно известно о существовании темпоральных кристаллов, которые способны изменяться под влиянием внешнего энергетического воздействия. Они имеют внутреннюю «текучую» структуру и постоянно подвергаются спонтанным внутренним преобразованиям, что делает их перспективными материалами.

Недавно ученые из Университета Сассекса создали способ управления жидким металлом. Они говорят, что в дальнейшем они смогут программировать материал на выполнение определенных действий. Помимо увеличения возможностей в сфере электропроводности, это может повысить функциональность цифровых устройств, позволив изменять их форму, размер и структуру в пределах существующего объема.

Перспективы

Нельзя с абсолютной уверенностью говорить о вытеснении кремния. Стивен Доран говорит, что это вряд ли произойдет в ближайшее время, а возможно, никогда. Также нельзя точно предсказать будущее, но, скорее всего, компьютерные системы будут состоять из нескольких слоев технологий, компенсирующих недостатки друг друга. Тем не менее эксперты ожидают прекращения тенденции экспоненциального роста вычислительной мощности без новых прорывов в этой сфере.

текст: Иван Маличенко, фото: Tyler Lastovich / Unsplash, Yellowcloud, Дагесян Саркис, Hustvedt, Maria Delaney / Wikimedia Commons, Steve Jurvetson / Flickr

На правах рекламы Внедрение BLOCKCHAIN На правах рекламы
Комментарии