Silīcijs jau gadu desmitiem ir bijis modernās elektronikas galvenais pamatmateriāls, taču arvien skaidrāk kļūst redzams, ka tā iespējas tuvojas fizikas noteiktajām robežām. Jo mazāki kļūst tranzistori, jo lielākus izaicinājumus rada siltuma izkliede un veiktspējas ierobežojumi. Tāpēc nozare arvien aktīvāk meklē alternatīvus risinājumus, kas ļautu turpināt skaitļošanas jaudas pieaugumu.
Vecais pazīstamais atgriežas
Paradoksālā kārtā viens no reālākajiem nākotnes virzieniem neved pie pavisam jauniem materiāliem, bet gan atpakaļ pie jau labi zināma risinājuma no pagātnes. Germānijs tika plaši izmantots tranzistoru pirmsākumos, bet vēlāk savu vietu atdeva silīcijam. Tagad tas atkal nonācis zinātnieku uzmanības centrā kā materiāls, kas varētu dot elektronikai jaunu elpu.
Vārvikas Universitātes un Kanādas Nacionālā pētniecības centra zinātnieki nesen ir guvuši nozīmīgu sasniegumu pusvadītāju jomā. Viņiem izdevies izmērīt germānija slānī, kas audzēts uz silīcija pamatnes, rekordaugstu caurumu (pozitīvo lādiņnesēju) kustīgumu. Šis rezultāts liecina, ka sen zināmais elements var kļūt par vienu no jaunās paaudzes mikroshēmu galvenajiem būvelementiem.
Jums varētu patikt šie:
Rekordliels kustīgums un saderība ar silīciju
Pētnieku komandai izdevās sasniegt caurumu kustīgumu līdz pat 7,15 miljardiem kvadrātcentimetru uz voltu un sekundi pie lādiņnesēju koncentrācijas 1,7 × 1011 cm-2. Salīdzinājumam – rūpniecībā izmantotā silīcija kustīgums ir aptuveni 450 tajās pašās vienībās. Tas nozīmē vairāk nekā 15 reizes lielāku kustīgumu, turklāt jaunais rekords par vairāk nekā 60 % pārspēj iepriekšējos sasniegumus.
Ļoti liela lādiņnesēju (caurumu vai elektronu) kustīguma praktiskā nozīme ir vienkārša un tieša: tranzistori var pārslēgties ātrāk un izdalīt mazāk siltuma. Tas paver iespēju veidot jaudīgākus procesorus, kas vienlaikus ir energoefektīvāki un mazāk atkarīgi no sarežģītām dzesēšanas sistēmām.
Atomu precizitātes kontrole pār struktūru
Šā sasnieguma pamatā ir ārkārtīgi plāns germānija slānis, kuram piešķirts aptuveni 0,8 % liels sprieguma deformācijas jeb kompresijas spriegums. Izmantotā audzēšanas tehnoloģija (cs-GoS metode) ļauj veidot izcili tīrus kristālus, kuros lādiņnesēji var pārvietoties gandrīz bez šķēršļiem.
Sprieguma iedarbība un kvantu mēroga telpiska ierobežošana samazina caurumu efektīvo masu līdz aptuveni 0,035 no elektrona miera masas. Rezultātā tiek iegūts materiāls, kurā lādiņš spēj pārvietoties daudz vieglāk un ātrāk.
Sistēma uzrādīja arī ļoti augstu elektrostatiska stabilitāti. Vārtiņu sprieguma histēze temperatūrā 270 milikelvini sasniedza tikai 0,7 milivoltu, un transporta īpašības saglabājās nemainīgas arī pēc vairākkārtējiem termiskajiem cikliem. Ne mazāk svarīgi ir tas, ka germānija kristālrežģa simetrija mazina nevēlamās spina–orbītas mijiedarbības, atstājot pārsvarā tādas komponentes, kuras iespējams precīzi kontrolēt.
Jums varētu patikt šie:
Pielietojumi kvantu skaitļošanā un datu centros
Viens no šīs tehnoloģijas nozīmīgākajiem ieguvumiem ir tās pilnīga saderība ar esošajiem CMOS ražošanas procesiem. Atšķirībā no dārgiem un grūti integrējamiem eksotiskiem materiāliem, germāniju uz silīcija pamatnes iespējams apstrādāt jau pašreizējās rūpnieciskajās līnijās bez lieliem infrastruktūras pārbūves ieguldījumiem. Tas pavērš ceļu masveida ražošanai, izmantojot lielāko daļu jau esošo ražošanas iekārtu.
Iespējamo pielietojumu spektrs ir ļoti plašs. Ļoti liels kustīgums un labi kontrolējama spina dinamika ir īpaši nozīmīgi:
- spina kubitu izveidei kvantu datoros,
- kriogēniem vadības kontrolleriem, kas darbojas ļoti zemās temperatūrās,
- energoefektīviem mākslīgā intelekta čipiem un datu centru iekārtām, kur kritiski svarīga ir gan jauda, gan zems enerģijas patēriņš.
Šādi čipi varētu darboties ātrāk, patērēt mazāk enerģijas un prasīt daudz mazāk dzesēšanas, kas ir īpaši būtiski, ņemot vērā strauji augošo lielo datu centru enerģijas patēriņu.
Atgriešanās, kas var mainīt nākotni
Zinātnieki uzsver, ka šis sasniegums nosaka jaunu atskaites punktu četru grupas pusvadītāju lādiņpārvades pētījumos. Ilgtermiņā tiek cerēts vēl vairāk uzlabot materiāla īpašības un sasniegt vai pat pārspēt citu augsta kustīguma materiālu rekordus.
Ņemot vērā, ka tehnoloģija jau šobrīd ir piemērota pilna izmēra silīcija plātņu ražošanai, tā šķiet gatava arī reālai rūpnieciskai izmantošanai, nevis tikai laboratorijas eksperimentiem.
Germānija atgriešanās pēc aptuveni septiņdesmit gadu pārtraukuma atgādina, ka tehnoloģiskais progress ne vienmēr nozīmē pavisam jaunu vielu atklāšanu. Dažkārt pietiek paskatīties uz sen zināmu risinājumu ar jaunām zināšanām un izmantot to ar atomu līmeņa precizitāti. Ja šī attīstības līnija sevi attaisnos, germānijs nākotnē varētu būt ne tikai laboratorijās, bet arī mūsu ikdienas viedierīcēs un kabatā nēsājamos mikroshēmu risinājumos.
