Замена кремния в процессорах
Обновлено: 05.07.2024
Появление полупроводников в электронике было не чем иным, как революцией. В частности, полупроводники позволили обрабатывать большие объемы данных в устройствах меньшего размера. Это эффективно сократило вычислительные технологии до смартфонов и значительно уменьшило пространство, занимаемое электроникой практически во всех аспектах. Однако этот быстрый прогресс в области технологий не обошелся без больших затрат.
Кремний – это химический элемент с символом Si и атомным номером 14
.Зачем искать альтернативу кремнию
Оказывается, эти достижения не обошлись без затрат. Первичный материал, используемый для разработки этих электронных устройств, кремний, имеет двойное происхождение. Во-первых, это огромное социальное влияние, которое оно оказало на страны, где оно распространено. Крупные производители электроники и корпорации устремились в эти регионы, принеся с собой экономические возможности. Однако непрозрачность этой цепочки поставок является серьезной проблемой.
Вторым важным фактором воздействия добычи и производства кремния является нанесение ущерба окружающей среде. Это влияние в первую очередь связано с процессом добычи полезных ископаемых, но усиливается при производстве электронных устройств. Чистый кремний не встречается в природе, поэтому его образование необходимо вызывать искусственно, что приводит к образованию монооксида углерода. Другие предприятия по добыче редкоземельных элементов производят вредные для окружающей среды отходы.
Электропроводность электронных компонентов, как показано на рисунках выше, зависит от кремния. Кремний присутствует в большинстве электронных устройств, но его цепочка поставок непрозрачна и практически не регулируется.
Крупнейшие производители кремния, такие как Китай, Россия и США, несколько лучше контролируют свои методы производства. Однако меньшие по размеру и менее регулируемые рынки не позволяют получить такое представление об условиях труда или стандартах безопасности. Фактически, даже у Китая и России есть несколько сомнительная политика в отношении сбора кремния, которая подверглась критике. Опасность, присущая сбору кремния, представляет риск для здоровья всех, кто занимается его сбором, а также для окружающей среды. Например, чрезмерное воздействие и вдыхание кремниевой пыли во время добычи полезных ископаемых вызывает силикоз. Работники кремниевых рудников очень часто страдают этим заболеванием и множеством связанных с ним негативных последствий.
Хотя многие предприятия в этих областях обычно пренебрегают проблемами со здоровьем такого рода, наука и технологии добились успехов, которые могут предложить надежные альтернативы кремнию.
Возможные альтернативы кремнию: графен
То же исследование, которое породило эту головоломку, также может решить ее. Распространение полупроводниковых технологий в повседневной жизни связало фотонику и материаловедение, сделав их неотъемлемой частью электронной техники. Новое исследование направлено на производство материалов, которые с этой точки зрения менее проблематичны и могут стать жизнеспособной альтернативой кремнию. В этом сообщении блога мы обсудим различные методы, которые люди используют для создания более экологичных полупроводниковых материалов.
На изображении выше показан большой кристалл кварца, который чем-то похож на кристаллический кремний до того, как он будет переработан в электронные материалы.
Графен – это двухмерный материал, который можно формовать с огромной гибкостью. Потенциальные области применения графена огромны: от медицины до солнечной энергетики и сенсорных технологий. Наиболее уместное использование, безусловно, в электронике. Графен — самый проводящий материал, о котором знают исследователи материалов. Микрочипы, в которых используется графен, могут поддерживать гораздо больше транзисторов, чем обычно используемые материалы, такие как кремний. Уже одно это сделает электронику более эффективной. Настоящая польза, которую может дать графен, заключается в устранении углерода, образующегося при рафинировании кремния.
В какой-то момент графен был намного дороже. Благодаря усовершенствованиям в области химического осаждения из паровой фазы производство графена стало дешевле, чем когда-либо прежде. Еще одно ключевое достижение фотоники в двумерных материалах — эпоксидная смола с импульсным молекулярным пучком. Молекулярно-пучковая эпоксидная смола (или эпитаксия) может наносить тонкие пленки, способствуя росту монокристаллических слоев.
Графен обладает уникальной способностью воспроизводить сложные материалы более экономичным способом.Одним из примеров этого является производство нитрида галлия, который является популярной заменой кремния в электронных устройствах.
Нитрид галлия как альтернатива кремнию
Хотя нитрид галлия обладает лучшими характеристиками в области высоких энергий и высоких температур, чем кремний, его производство чрезвычайно обременительно, что требует значительно более высоких финансовых затрат. Графен обещает решить эту проблему. Одним из выдающихся свойств графена является его способность приобретать характеристики других материалов.
Его двумерная природа позволила исследователям многократно воспроизвести дорогую пленку галлия на пленку графена. Это еще раз подчеркивает полезность графена как решения для устойчивого производства электроники. Графен может иметь ограниченное применение в производстве микрочипов, но с его помощью можно дешево воспроизводить более эффективные материалы.
Солнечные элементы в основном изготавливаются из кремния, но проводится все больше и больше исследований по созданию более экологичных фотогальванических материалов.
В нынешнем виде преобразование галлия в нитрид галлия с помощью графена подвержено дефектам и не полностью масштабируемо. Однако по мере развития нитрида галлия будут появляться новые конструкции. С их применимостью к высокотемпературной электронике эти приложения не будут такими проблематичными, как с кремнием. Кремний по-прежнему жизненно важен для производства собственных заменителей. Тем не менее, есть много возможностей для повышения эффективности кремниевых электронных устройств, если не для их замены.
Потенциал перовскитов
Перовскиты — еще один материал, представляющий угрозу доминированию кремния, но в области солнечной энергетики и фотогальваники. Процесс лазерной очистки, который создает монокристаллический или поликристаллический кремний, гораздо более устойчив к дефектам перовскитов. Для выполнения этих задач кремний должен быть гораздо более высокого качества, чем перовскиты.
Ключевым недостатком перовскитов является то, что они недостаточно стабильны для массового производства в коммерческих количествах. Многие переменные могут вызвать повреждения или дефекты, которые необходимо сгладить, прежде чем перовскит будет массово использоваться для солнечных батарей.
Признание прошлого и движение вперед
Хотя кремний является ключевым элементом, который, скорее всего, не будет заменен в ближайшее время, мир постепенно отказывается от этого материала. Мы чувствуем пользу от кремния в повседневной жизни. Однако важно осознавать и вред, причиняемый материалом. Таким образом, поиск потенциальных альтернатив кремнию становится все более важным.
Товары, которыми мы наслаждаемся, будь то смартфон, чашка кофе или даже электричество, дорого обходятся людям и окружающей среде во всем мире. Это проявляется в изменении климата, а также в нанесении ущерба богатым ресурсами сообществам, которые поставляют нам эти материалы. Жизненно важно, чтобы компании, получающие прибыль от этих материалов, использовали предоставленную им технологическую привилегию для достижения устойчивого развития. Это чистый минус для полезной технологии, которую мы создали, так дорого обходится тем, кто не может ощутить ее преимущества. Более инклюзивная среда позволит большему количеству людей участвовать в этом прогрессе и будет способствовать более творческим и обширным исследованиям сообществ по всему миру, а не небольшим концентрациям.
Соблюдение закона Мура на протяжении десятилетий бросало вызов сектору производства полупроводников. Несмотря на то, что в последние несколько лет разработка вдвое более быстрых процессоров застопорилась, закон Мура никогда не будет действовать бесконечно.
К сожалению, виноваты физические аппаратные ограничения, поэтому инженеры исследуют новые материалы и логические системы для микропроцессоров и миниатюризации.
Плотнее кремния: оксид галлия
Разработанный в Исследовательской лаборатории ВВС в Огайо, США, в результате признания ограничений кремния, оксид галлия может использоваться в производстве микроэлектроники.
Из-за естественно широкой критической напряженности электрического поля оксида галлия (в 20 раз больше, чем у кремния) этот материал особенно подходит для разработки полевых транзисторов.
Тоньше кремния
Другой недостаток кремния заключается в том, что его нельзя сделать тоньше. Ученые из Стэнфордского университета в Калифорнии считают, что у них есть решение: два новых полупроводника, которые можно изготовить тоньше кремния.
Диселенид гафния и диселенид циркония похожи на кремний, но могут быть сделаны на глубину всего в три атома благодаря их диэлектрической природе с высоким значением k.
Для переключения требуется меньше энергии, что существенно влияет на срок службы батареи.
Ограничения квантовых вычислений
Каждый, кто слышал о квантовых вычислениях, вероятно, знает, что кремния недостаточно. Итак, если кажется, что доминирование кремниевых транзисторов подходит к концу, что может заменить их?
На данный момент квантовые вычисления можно не принимать во внимание. Прогресс был медленным, большая часть усилий была сосредоточена как на алгоритмах, так и на оборудовании.
Короче говоря, это далеко.
Важно избегать цифрового замедления и технологического тупика, связанного с использованием кремния, особенно с учетом того, что Интернет вещей ставит нас на порог новой эры сбора данных.
Графен и углеродные нанотрубки
Альтернативы кремнию предназначены для возможного появления квантовых вычислений.
Графен, обнаруженный в 2004 году, представляет собой вещество толщиной всего в один атом, но прочное, проводящее электричество и относительно простое в изготовлении.
Углеродные нанотрубки — это цилиндрические молекулы углерода, построенные из графена. При их производстве используется квантовая химия. Они могут быть металлическими или полупроводниковыми, что добавляет гибкости возможностям углеродных нанотрубок.
Складные экраны и неразрушимые смарт-часы — это лишь два из возможных достижений. однако медленное развитие квантовых вычислений ограничит полное использование графена в ближайшие несколько лет.
Вместо этого вещества на основе графена, скорее всего, будут использоваться в качестве альтернативы металлу в жизненно важных конструкциях транспортных средств.
Наномагнитная логика
Отходя от стандартной модели транзистора, используемой кремниевыми процессорами, наномагнитная логика использует бистабильные состояния намагниченности. Вместо включения и выключения транзистора наномагниты меняют состояния намагниченности, используя диполь-дипольные взаимодействия для обработки бинарной информации.
Поскольку наномагнитная логика не требует электрического тока, схемы, построенные с его использованием, должны иметь чрезвычайно низкую мощность. Если требования к мощности и вычислительной мощности удастся правильно масштабировать, процессоры, использующие наномагнитную логику, могут стать последней фазой доминирования кремния, пока не будет решена проблема квантовых вычислений.
Нам все равно понадобится кремний
Хотя кремниевый микропроцессор выглядит так, будто его нужно заменить, сам материал никуда не годится.
Материалы-заменители, скорее всего, будут монтироваться на кремниевые платы, по крайней мере на первых порах, чтобы их можно было собирать, тестировать и ремонтировать вручную.
Но по мере того, как технология продолжает сокращаться, по иронии судьбы кремний может быть потерян, когда миниатюризация шагнет в дивный новый посткремниевый мир.
Кристиан Коули
Кристиан Коули (Christian Cawley) — независимый писатель, специализирующийся на технологиях, с опытом работы в сфере здравоохранения и финансовых услуг. Он много пишет в Интернете и участвует в печатных периодических и специальных изданиях.
Университетские исследователи обнаружили материал, который может увеличить скорость вычислений и возможности хранения данных компьютерных чипов.
В сентябре исследователи в области машиностроения опубликовали в Журнале Американского химического общества статью, в которой указывалось, что двумерный материал, известный как сурьма, может заменить кремний в компьютерных чипах. Обнаружение этого материала может решить проблему закона Мура, – считает Юаньюэ Лю, соавтор статьи и член Техасского института материалов.
Согласно Британской энциклопедии, в 1965 году соучредитель Intel Гордон Мур заявил, что количество транзисторов в каждом кремниевом чипе будет удваиваться каждый год. Транзисторы используются в компьютерных микросхемах для усиления и переключения электронных сигналов.
Согласно Британской энциклопедии, кремний исторически использовался для изготовления транзисторов, потому что это полупроводник, то есть материал с большей проводимостью, чем изолятор, такой как резина, но менее проводящий, чем металл, такой как сталь.
Однако, по словам Лю, по мере увеличения количества транзисторов на компьютерный чип и уменьшения размера транзисторов кремний теряет свою функциональность.
«Подвижность электронов уменьшится, если кремний сделать слишком маленьким», — сказал Лю, доцент кафедры машиностроения. «Это мотивация нашей работы. Мы пытаемся найти хороший материал, который сможет заменить кремний, чтобы соблюсти закон Мура».
Ченму Чжан, аспирант в области материаловедения и инженерии и член исследовательской группы, сказал, что самым важным выводом из этой работы было понимание того, что регулирует подвижность электронов в материале. Лю сказал, что материалы с высокой подвижностью обладают свойствами, которые позволяют электронам быстро проходить через них.
Лонг Ченг — соавтор статьи и постдокторант в области машиностроения.Он сказал, что в материалах с низкой подвижностью электронов электроны рассеиваются и не могут двигаться так же быстро, но электроны в сурьме могут двигаться свободно и быстро, потому что рассеиваются не очень сильно.
"В электронике мы предпочитаем, чтобы материалы обладали высокой мобильностью, потому что тогда вы можете просто использовать небольшое электрическое поле, чтобы заставить электроны двигаться очень быстро в материале, и тогда ваши вычисления могут быть быстрее, а ваше хранение данных может быть быстрее", — сказал Лю.
Лю сказал, что, поскольку группа занимается только теоретической работой и компьютерным моделированием, они не создавали новые компьютерные чипы из сурьмы.
"Я бы просто передал (результаты) экспериментальным группам (или) всем, кто в этом заинтересован, чтобы проверить наш прогноз и, надеюсь, добиться успеха", – сказал Лю.
Двумерная версия полуметалла показывает многообещающие перспективы: будущие чипы будут иметь больше транзисторов, но в меньших форм-факторах.
По мере того, как процессоры становятся все меньше и меньше, но при этом требуют все большей вычислительной мощности, кремний достигает предела своих возможностей для удовлетворения потребностей будущих чипов.
 |
| В отличие от других материалов с электронами, которые рассеиваются во многих направлениях, электроны в двумерной сурьме можно заставить двигаться вместе упорядоченным образом, придавая ей высокую подвижность заряда и делая материал эффективным полупроводником. (Источник изображения: Техасский университет в Остине) |
Поэтому исследователи искали новые материалы, которые могли бы заменить кремний, сохраняя при этом большую вычислительную мощность в крошечном штампе. Доцент Юанью Лю и исследовательская группа из Инженерной школы Кокрелла Техасского университета в Остине (Юта) нашли решение в существующем полуметалле: сурьме.
Команда, в которую также входят научный сотрудник UT Лонг Ченг и аспирант Ченму Чжан, опубликовала статью о своей работе в Journal of the American Chemical Society.
Лю, доцент кафедры машиностроения, сказал, что в двумерной форме сурьма перспективна как полупроводниковый материал для микросхем меньшего размера. Во-первых, сурьма имеет толщину всего в пару атомных слоев, но при этом обладает высокой подвижностью заряда или скоростью, с которой заряд движется через материал под действием электрического поля. По словам Лю, двумерная сурьма также имеет значительно более высокую подвижность заряда, чем кремний. Это дает ему большой потенциал в качестве строительного блока для процессоров следующего поколения.
Сурьма уже доказала свою ценность в электронике для некоторых полупроводниковых устройств, таких как инфракрасные детекторы. Исследователи UT считают, что это использование может быть распространено и на будущие устройства.
Пока полупроводниковый потенциал двумерной сурьмы был подтвержден только теоретическими расчетами. Следующим шагом команды будет проверка свойств материала на образцах физической сурьмы.
Работа команды имеет более широкое значение; поскольку исследователи увидели жизнеспособность сурьмы в качестве полупроводника для будущих устройств, они также знают, почему этот материал так быстро несет заряд. «Мы раскрыли физические причины высокой подвижности сурьмы», — сказал Лю в заявлении для прессы. «Эти результаты могут быть использованы для потенциального открытия еще лучших материалов».
- Синтетический полимер легко разлагается для экологически безопасного применения
- Электроника для печати на месте прокладывает путь для электронных татуировок и персональных биосенсоров
- 5 прогнозов технических сбоев в следующем десятилетии
Элизабет Монтальбано — писатель-фрилансер, более 20 лет пишущий о технологиях и культуре. Она жила и работала профессиональным журналистом в Фениксе, Сан-Франциско и Нью-Йорке. В свободное время она увлекается серфингом, путешествиями, музыкой, йогой и кулинарией. В настоящее время она проживает в деревне на юго-западном побережье Португалии.
Читайте также: