Вычисления за пределами кремния
Уменьшение размеров транзисторов способствовало прогрессу в вычислительной технике с 1950-х годов, но эта стратегия подходит к концу.
Самые передовые чипы, которые сейчас производятся серийно, в том числе процессоры Apple A17 Pro и M4, созданные по 3-нм техпроцессу TSMC, содержат транзисторы с длиной физического затвора менее 15 нм. При таких размерах электроны туннелируют через барьеры, которые должны их блокировать, что приводит к утечке тока даже при выключенных транзисторах.
Это приводит к потере энергии, выделению тепла и снижению эффективности, которая когда-то повышалась с каждым новым поколением транзисторов меньшего размера. Экономические показатели также неутешительны: строительство фабрики по производству 3-нм чипов обходится более чем в 20 миллиардов долларов.
Эта ситуация привела к разработке к радикально иного подхода. Что, если бы отдельные молекулы служили электронными компонентами? Идея зародилась в 1974 году, когда теоретики Арье Авирам и Марк Ратнер предположили, что одна органическая молекула с донорской областью электронов на одном конце и акцепторной областью электронов на другом конце может функционировать как выпрямитель («Письма по химической физике», «Молекулярные выпрямители»)
Поскольку электроны легче перемещаются от донора к акцептору, чем в обратном направлении, такая молекула будет проводить ток преимущественно в одном направлении. Это предположение положило начало целому направлению исследований, но для его проверки требовалась возможность контактировать с объектами размером всего в один нанометр, определять их положение и измерять их. Надежные эксперименты стали возможны только после десятилетий кропотливой технической работы.
В новом исследовании, опубликованном в Nanowerk, рассматриваются технологии производства, функциональные устройства и стратегии интеграции, а также показано, что молекулярная электроника превратилась из теории в серьёзную перспективную технологию. Потенциальная плотность может достигать 10¹⁴ устройств на квадратный сантиметр — примерно в 1000 раз больше, чем у современных кремниевых чипов.
Молекулярная электроника работает по совершенно иным принципам, чем обычные микросхемы. Вместо того чтобы перемещаться по непрерывным материалам, заряд проходит через молекулярные соединения посредством квантового туннелирования. Проводимость экспоненциально снижается по мере увеличения длины молекулы, то есть более длинные молекулы проводят меньше тока.
Квантовая интерференция обеспечивает дополнительный уровень контроля. В молекулах на основе бензола электроны могут двигаться по нескольким траекториям, которые либо усиливают, либо ослабляют друг друга. Когда соединения располагаются на противоположных концах кольца (пара-конфигурация), интерференция является конструктивной, что обеспечивает высокую проводимость. При других расположениях (мета-конфигурация) интерференция является деструктивной, что снижает проводимость на несколько порядков. Эти эффекты позволяют добиться поведения, невозможного в обычных полупроводниках.
Сообщение Вычисления за пределами кремния появились сначала на Время электроники.