75: что дальше?

Прогноз на продолжение транзисторного века
23.12.2022
Мария Суханова

Семьдесят пять лет назад, в декабре 1947 года, американские физики Уолтер Браттейн и Джон Бардин собрали первый работоспособный точечный транзистор, а спустя полгода их изобретение повторили немцы Герберт Матаре и Генрих Велькер, работавшие в то время во Франции. Теорию p-n-перехода создал американец Уильям Шокли. Для журнала Института инженеров электротехники и электроники IEEE Spectrum этот юбилей стал поводом опросить экспертов о том, как они видят будущее транзисторов. На что они могут быть похожи ещё через четверть века, когда наступит их столетний юбилей, и сохранится ли за ними роль главного элемента интегральных микросхем - основы вычислительной техники.

Направления эволюции

Транзисторы явно будут развиваться в сторону даже большего разнообразия, чем нынешнее, считает профессор электротехники Стэндфордского университета Филип Вонг, который проводит аналогию с эволюцией микропроцессоров. Точно так же, как были созданы и продолжают создаваться специализированные чипы под узкие задачи (графические и сетевые процессоры, ИИ-ускорители и т. д.), транзисторы в дальнейшем тоже будут изготавливаться под определённые сферы применения. (Можно ожидать особо быстрого роста направления силовой электроники. - Прим. ред.)

Изобретатели транзистора Джон Бардин (слева),
Уолтер Браттейн (справа) и Уильям Шокли, создавший
теорию p-n-перехода

Суман Датта, профессор факультета электронной и вычислительной техники Технического университета Джорджии и директор межуниверситетского центра исследований в обрасти нанотехнологий ASCENT, уверен, что при всём разнообразии конкретных транзисторов фундаментальный принцип их действия не изменится (для полевых приборов это эффекты электрического поля, для биполярных - инжекция носителей заряда). Тенденция к миниатюризации продолжится. По оценке госпожи Цу-Чжаэ Кинг Лю, декана колледжа технологий в Калифорнийском университете в Беркли и члена совета директоров Intel, транзисторы достигнут размера в 1 нанометр, так что плотность их размещения на кристалле дойдёт до десяти триллионов на квадратный сантиметр.

Эксперты практически единодушны в том, что для изготовления интегральных и дискретных транзисторов будут найдены и станут использоваться какие-то новые материалы. Вероятен также переход к новой полупроводниковой архитектуре - многослойной или трёхмерной. Вполне возможно, полагает Суман Датта, что канал транзистора, который сейчас проходит параллельно поверхности кремниевого кристалла, придётся расположить вертикально.

Старший научный сотрудник AMD Ричард Шульц предсказывает, что основной целью при разработке новых транзисторов будет снижение энергопотребления и совершенствование охлаждения электронных систем.

Во главе прогресса

Сегодня трудно представить себе вычислительную технику не на микросхемах с миллионами транзисторов внутри, а на какой-то иной базе, однако так было не всегда - мы помним, что всё начиналось с ламповых компьютеров. И есть серьёзные основания полагать, что интегральные транзисторные схемы - это тоже не навсегда, ведь полным ходом идёт работа над созданием квантовых компьютеров, базирующихся на совершенно иных физических принципах. По данным McKinsey & Co, финансирование стартапов в области квантовых вычислений только в США в 2021 году составило 1,4 млрд долларов.

Тем не менее эксперты в области электроники уверены, что квантовые вычисления за ближайшие 25 лет не продвинутся в такой степени, чтобы потеснить классические системы. «Интегральные транзисторы, - говорит профессор факультета электро- и вычислительной техники Калифорнийского университета в Беркли Сайиф Салахуддин, - останутся важнейшим элементом вычислительных систем. В настоящее время потенциальные сферы применения даже для идеального квантового компьютера кажутся довольно ограниченными по сравнению с классическими компьютерами».

Его поддерживает Шри Самаведам, старший вице-президент по КМОП-технологиям в европейском микро- и наноэлектронном научно-исследовательском центре Imec: «Невозможно игнорировать эффективность, достигнутую благодаря десятилетиям постоянной оптимизации интегральных микросхем».

Транзистор-2047 уже создан?

Двадцать пять лет - большой срок, но для цикла разработки полупроводниковой индустрии он нормален. «В этой отрасли, - говорит Самаведам, - от демонстрации концепции до запуска в массовое производство обычно проходит около двадцати лет. Можно спокойно предположить, что архитектура интегральных транзисторов и силовых ключей 2047 года уже демонстрировалась в лабораторных масштабах, даже если в итоге будут использоваться несколько иные материалы». Его точку зрения разделяет Кинг Лю, которая приблизительно 25 лет назад вместе с коллегами демонстрировала в Беркли прототип современного FinFET - полевого транзистора с вертикальным затвором.

Двухтранзисторная сборка из 1970-х наглядно показывает
огромный потенциал миниатюризации электроники

Не все опрошенные эксперты думают, что в какой-то лаборатории уже есть видение транзистора-2047. В частности, Салахуддину так не кажется, но он полагает, что «точно так же, как в случае с FinFET в 1990-х, можно сделать обоснованное предсказание о будущих геометрических структурах».

По мнению Ричарда Шульца из AMD, эти структуры уже просматриваются в предлагаемых электронных устройствах, собранных из двумерных полупроводниковых материалов и полупроводников на основе углерода. «На столь длинной временно́й дистанции, - добавляет он, - в поле зрения исследователей могут попасть материалы, которые на сегодня ещё не изобретены».

Материалы

Эксперты утверждают, что рабочая часть интегрального полевого транзистора, то есть область его канала, по-прежнему будет изготавливаться главным образом из кремния; другие возможные материалы - кремний-германиевый сплав, который сейчас набирает популярность среди исследователей, и чистый германий. Однако, отмечает Самаведам, к 2047 году может появиться множество чипов, использующих полупроводники, которые сегодня считаются экзотическими. Например, оксиды, такие как оксид индия, галлия и цинка (IGZO), двумерные полупроводники - дихалькогениды переходных металлов, дисульфид вольфрама, - одномерные углеродные нанотрубки и даже что-нибудь такое, что пока ещё не открыто.

Чипы на базе кремния, возможно, будут объединяться в пакеты с чипами на базе более новых материалов аналогично тому, как сейчас производители процессоров помещают в один корпус кремниевые кристаллы, изготовленные по разным технологиям, предполагает старший научный сотрудник AMD Габриэль Ло.

«Не исключено также, - рассуждает Салахуддин, - что выбор полупроводника к 2047 году перестанет быть центральным вопросом для конструторов. Этот выбор будет диктоваться в первую очередь необходимостью обеспечить совместимость множества материалов, из которых сделаны разные части устройства. И у кремния здесь явное преимущество, потому что его совместимость с другими материалами очень хорошо изучена».

Вездесущие приборы

Через 25 лет, говорят эксперты, транзисторы в составе микросхем проникнут буквально во все аспекты нашей жизнедеятельности. Люди будут носить электронные устройства на себе и внутри себя, микросхемы будут встроены в инфраструктурные объекты - дома, мостовые, ограды, - незаметно вплетены в ткани одежды, прилеплены к продуктам питания. Они станут покачиваться на полях вместе с колосьями злаков, отслеживать каждый шаг в каждой цепочке поставок и делать множество других вещей в таких местах, о которых никто ещё не задумывался.

Транзисторы будут «...везде, где нужны вычисление, автоматизированное управление, коммуникация, сбор, хранение и анализ данных, интеллектуальные функции, восприятие и действие, взаимодействие с человеком или портал для входа в виртуальный либо смешанный реально-виртуальный мир», - подводит итог всем размышлениям Вонг из Стэнфорда.

Источник: Энерговектор

Читайте другие наши материалы