Возможны ли пути резкого повышения производительности вычислительных устройств? Исследования показывают, что принципиально возможны, и иногда даже понятно, когда примерно это произойдет — при благоприятном стечении обстоятельств, конечно. Например, радикально изменяют идеологию построения компьютеров квантовые вычисления (см. «Мир ПК», № 12/2000, с.104). Есть и другие революционные подходы, которые не так сложны в исполнении, но также решают задачи, стоящие перед микроэлектроникой.

Микросхемы всех полупроводниковых устройств (памяти, процессоров и т.п.) состоят из транзисторов, размеры которых требуется уменьшать для увеличения скорости (тактовой частоты) самих устройств. Однако покорение каждого рубежа на пути к миниатюризации полупроводниковых элементов требует немалого времени. К тому же, если линейные размеры транзистора менее 10 нм (сегодня они примерно в десять раз больше), электронами будет почти невозможно управлять из-за проявления квантовых эффектов. Решение нашли российские ученые из МГУ и РАН. Их разработка позволяет создать транзисторы нового типа с размерами около 1 нм (девять нулей после запятой!). Полностью это устройство называется одноэлектронный транзистор на нанокластере. Оно может оказаться как никогда кстати для построения быстрых и сверхминиатюрных микросхем с низким энергопотреблением. Это открытие признано настолько важным, что занесено в «Handbook of Nanostructured Materials and Nanotechnology» (Academic Press, 2000) — своеобразную энциклопедию по нанотехнологиям, где описаны самые выдающиеся достижения человечества в этой области.

Одним из наиболее заметных квантовых эффектов является туннельный. Если от явления нельзя избавиться, значит, его надо использовать. В данном случае для этого необходимо создать структуры, в которых происходят отдельные акты туннелирования электронов.

Гипотетическая схема логического элемента «НЕ-И», собранного на основе кластерных транзисторов (предложена С.В. Вышенским, К.К. Лихаревым, С.В. Полонским — физфак МГУ)

Молекулярный одноэлектронный транзистор выполнен в виде системы из двух, как минимум, туннельных переходов между центральным элементом (нанокластером) и двумя электродами. На нанокластере электроны локализуются и существуют конечное время, достаточное для того, чтобы можно было контролировать их перенос по такой системе третьим электродом. Нанокластер — это искусственная молекула, которая настолько мала, что попавший на нее электрон оказывается заперт электрическим полем, энергия которого превышает энергию тепловых движений электрона. Законы классической физики запрещают ему покидать ловушку, но они не строго учитывают свойства электрона, описываемые квантовой физикой, которые «открывают ему дверь на свободу»; происходит акт туннелирования, причем вероятность «побега» зависит от величины внешнего поля. (Очень похоже на полевой МОП-транзистор, где потенциал на управляющем электроде влияет на силу тока между истоком и стоком.) Из одноэлектронных молекулярных транзисторов, как и из обычных, тоже можно собирать логические схемы для построения микропроцессоров и памяти (см. рис.).

Зная диаметр активного элемента — нанокластера (около 1 нм) и учитывая размеры электродов, можно предположить, что габариты элементарной ячейки примерно 2х2х4 нм. Соответственно плотность упаковки транзисторов будет более 1013 штук на 1 см2. К тому же туннельный переход в указанной системе происходит 1012 раз в секунду, при этом электрон может переходить только между энергетическими уровнями электрода и нанокластерной молекулой с одинаковой энергией. Эти два свойства молекулярного одноэлектронного туннельного транзистора теоретически позволяют создавать микросхемы, работающие на частотах 100—1000 ГГц, но при этом, вероятно, они будут потреблять чрезвычайно мало энергии (на несколько порядков меньше, чем современные полупроводниковые), несмотря на высокую плотность элементов. Последнее обстоятельство предотвратит угрозу сбоев в работе из-за перегрева, что является огромной проблемой для полупроводниковых схем.

Подобных значений частоты и плотности элементов с помощью стандартного подхода можно достичь лет через 5—10, если темпы развития микроэлектроники в ближайшее время не изменятся Этого срока достаточно, чтобы наладить производство устройств, использующих описываемую технологию.

Безусловно, не все так просто. Пока создан только экспериментальный образец, и неизвестно, сумеют ли ученые убедить кого-нибудь в необходимости массового производства. Есть и фундаментальные проблемы. Например, управление силой тока через нанокластер с помощью электромагнитного поля делает, с одной стороны, это устройство хорошим сенсором, а с другой, может потребовать защиты от космических лучей. В этом случае, вероятно, поможет хорошая экранировка микросхемы.

Однако важнее отработать процесс получения информации с нанокластерной структуры: его высокая скорость обусловлена ее малой электроемкостью. Но последняя характеристика любого макроскопического приемника информации имеет значение на несколько порядков большее, а это станет причиной низкой тактовой частоты всего устройства. Тогда придется строить архитектуру, включающую кроме быстрой центральной структуры (например, ядра процессора) еще и кэш для хранения информации, впрочем, в компьютерных изделиях такой буфер — обычная вещь.

Остается только пожелать нашим ученым, чтобы их открытие было востребовано у нас, и микросхемы на российских транзисторах собирались в России.

Александр Баулин


История открытия

В России проблема построения одноэлектронного туннельного транзистора исследовалась с 1985 г. на физическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова К.К. Лихаревым, который теоретически рассчитал, а потом экспериментально обнаружил эффект одноэлектронного туннелирования. Вместе с Л.С. Кузьминым они построили туннельный одноэлектронный транзистор, работающий при сверхнизких температурах (одновременно это же сделали американцы). Сверхнизкими называют температуры вблизи нуля по шкале Кельвина (—273°С), они неприемлемы при массовом производстве каких бы то ни было устройств. Гораздо больший интерес представляли бы транзисторы, функционирующие при комнатной температуре (около 20°С). Для этого требуется уменьшить размеры их функциональных элементов до нескольких нанометров.

Еще в 1987 г. Лихарев предложил использовать отдельные молекулы в качестве активных элементов в одноэлектронных системах (их размер как раз составляет около 1 нм), но тогда эта идея казалась утопической. Уверенности, что это возможно, ученым придавал тот факт, что молекулярные одноэлектронные туннельные системы, функционирующие при комнатной температуре, давно существуют в природе и используются живыми организмами в процессе получения энергии.

С 1990 г. коллектив Е.С. Солдатова (МГУ) обратил внимание на возможность применения искусственных кластеров (синтезированных молекул с заранее заданными характеристиками) в качестве функциональных элементов транзистора. Однако препятствием стала необходимость создания стабильных упорядоченных структур и сложность манипулирования такими малыми объектами, как молекулярные кластеры. Параллельно ученые Англии, Японии и США искали решение этой проблемы альтернативными путями. Но именно в группе Г.Б. Хомутова впервые были созданы упорядоченные стабильные планарные ансамбли нанокластеров, внедренных в мономолекулярные пленки. В 1996 г. российские ученые из МГУ и РАН С.П. Губин, В.В. Колесов, Е.С. Солдатов, А.С. Трифонов, В.В. Ханин, Г.Б. Хомутов, С.А. Яковенко впервые в мире создали одноэлектронный молекулярный нанокластерный транзистор, работающий при комнатной температуре (см. рис.).

Применение СТМ позволяло определять положение нанокластеров в мономолекулярной пленке с точностью до 1 нм, а затем измерить их рабочие характеристики. Пленка создает высокоупорядоченную планарную наноструктуру для механической стабилизации кластеров в фиксированной пространственной конфигурации. При этом ее толщина не превышает диаметра кластера, что обеспечивает компактность всего ансамбля.

Это изобретение защищено патентами, и оспорить приоритет нашей страны в этой области невозможно. Так что, может быть, мы уже знаем, кто получит Нобелевскую премию лет через 20?

1955