Ученым НИЦ «Курчатовский институт» удалось создать двумерный материал, который можно использовать при разработке электронных устройств. Результаты проекта, выполненного при поддержке Российского научного фонда, опубликованы в престижном научном журнале Nature Communications. Считается, что сегодняшнее развитие вычислительной техники подошло к физическому пределу, не позволяющему дальнейшего уменьшения размеров и увеличения быстродействия процессоров. Ключом к преодолению этого барьера, возможно, станет разработка российских ученых.
Известный закон микроэлектроники, сформулированный в 1965 году одним из основателей корпорации Intel Гордоном Муром, гласит: каждые два года количество транзисторов на единицу площади микросхемы будет удваиваться. Это означало экспоненциальный — стремительный — рост быстродействия компьютеров и объемов электронной памяти. Столь же драматически должны уменьшаться размеры электронных устройств и их цена.
Последние 50 лет закон Мура выполнялся неукоснительно. Но сам же автор закона предупреждал, что этот «праздник» не может продолжаться вечно: рано или поздно миниатюризация упрется в непреодолимый барьер, воздвигнутый фундаментальными законами физики. Начиная со сверхмалых размеров элемента микросхемы — наноразмеров — проявятся квантовые эффекты, и транзисторы попросту не будут работать. Еще раньше проявится проблема скорости передачи данных от транзистора к транзистору: чем их больше, тем больше времени требуется на передачу и обработку информации в целом на микросхеме. Пределом здесь является сама скорость света, с которой передаются электрические сигналы. Другая фундаментальная проблема — необходимость отвода тепла, которого по мере возрастания числа электронных элементов на единицу площади микросхемы выделяется всё больше и больше.
И вот в прошлом году всё та же Intel, по сей день сохраняющая за собой статус флагмана электроники, объявила о кардинальной смене парадигмы.
— Для сохранения прогресса электроники нам придется через четыре-пять лет перейти на совершенно новые, принципиально иные технологии,
— заявил руководитель технологического департамента Intel Уильям Холт.
Этих технологий еще нет, но Уильям Холт обозначил главное направление их поиска. Это так называемая спинтроника — электроника, основанная на квантовых свойствах электрона. Если современная электроника базируется на кремниевом транзисторе, способном находиться в одном из двух состояний — ноль или единица, — то в будущей спинтронике ноль и единица задаются так называемым спином электрона, его квантовым состоянием, которое в определенных условиях тоже может принимать ровно одно из двух значений.
Спинтроника сулит не только дальнейшее уменьшение размеров электронных приборов, но и невероятное снижение их энергопотребления: переворот спина электрона в отличие от переключения кремниевого транзистора практически не требует энергии. Поэтому приборы новой электроники почти не будут греться, и, соответственно, инженерам не придется заботиться о постоянном охлаждении.
Главная задача на этом пути — найти, создать такой спинтронный материал, который позволил бы безболезненно интегрировать новую технологию в существующую кремниевую электронику.
— В заводы по производству кремниевых микросхем по всему миру вложены сотни миллиардов долларов, и никто не готов отказаться от этих инвестиций, — рассказал «Известиям» руководитель лаборатории новых элементов наноэлектроники Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий доктор физико-математических наук, профессор Вячеслав Сторчак. — Спинтроника должна будет входить на рынок постепенно, долгое время сосуществуя со старыми технологиями и элементной базой.
Ученые Курчатовского института создали именно такой материал, который позволит интегрировать спинтронику с кремниевой технологией. Он относится к классу двумерных материалов. Созданный курчатовскими физиками уникальный материал представляет собой тончайшую пленку магнита толщиной от одного до нескольких атомных слоев, позволяющего выстроить спины электронов в одном направлении и реализовать на его основе спинтронную технологию.
По оценке Вячеслава Сторчака, переход электроники на спинтронные технологии займет около двадцати лет. Но уже сейчас можно полагать, что процесс уменьшения размеров электронных устройств и увеличения их быстродействия продолжится, несмотря на предстоящее столкновение с физическими барьерами.