Физический предел миниатюризации электронного мира откладывается

Жесткий диск образца 1956 года: вес – 1 тонна, емкость – 5 мегабайт.  Фото из архива автора

Первый электронный калькулятор ЭНИАК, созданный по заказу Пентагона для баллистических расчетов в качестве переключателя, пропускавшего ток в положении «1» и выключавшего его в положении «0», использовал телевизионную трубку с электронным пучком. Неудивительно поэтому, что электронная машина-мастодонт занимала отдельное двухэтажное здание и буквально пожирала громадные количества электроэнергии. Одни вентиляторы для охлаждения целых батарей трубок чего стоили. Поэтому понятен тот энтузиазм, с которым электронщики встретили первые полупроводниковые транзисторы, созданные в 1948 году.

За прошедшие полвека микроэлектроника успешно развивалась, в результате чего в производстве микрочипов практически подошла уже к физическому пределу. В мире развернулась самая настоящая гонка в поисках альтернативы им. Очень возможно, что один из найденных подходов может оказаться вполне успешным.

Речь идет о так называемых мемристорах – memristor (memory resistors), представляющих собой технологическое воплощение старой идеи, выдвинутой еще в 1971 году электронщиками Калифорнийского университета в Беркли (пригород Сан-Франциско). Несмотря на все свои явные преимущества, делать мемристоры стали только в 2008 году. Преимущества по сравнению с нынешними кремниевыми чипами заключаются в простоте изготовления мемристоров, возможности хранения информации даже при отсутствии тока, а также в том, что они могут одновременно использоваться как для обработки информации, так и ее хранения. Все это было показано еще в 2008 году. Тогда американский журнал «Труды Национальной академии наук» опубликовал статью, в которой описывалось трехмерное устройство, состоящее из большого числа мемристоров.

Однако последние и на плоскости «чувствуют» себя превосходно, избавляя «дизайнеров» чипов от головной боли, связанной с необходимостью кроить и перекраивать расположение переключателей и соединяющих их контактов. Энтузиасты утверждают даже, что наши нервные клетки аналогичны мемристорам (синапсы, или «точки» соединения клеток и их отростков, действительно работают в режиме оn/оff).

Ученым за последние два года удалось преодолеть главный недостаток новинки – сравнительно низкую скорость переключения мемристоров. В этом году она достигла параметров работы стандартных кремниевых чипов. В связи с этим заявлено, что мемристоры вскоре могут начать вытеснение основанной на транзисторах флеш-памяти, без которой сегодня невозможно представить себе МР3-плееры, цифровые камеры и портативные компьютеры.

Классическая электроника делает существенный шаг вперед примерно каждые два года, достигнув сегодня 100-нанометрового (нм) диапазона, или разрешения. Это, кстати, средний размер вирусов, паразитирующих на различных клетках. Уже разработаны технологии, которые будут оперировать тремя-четырьмя десятками нанометров, и идет интенсивная работа, чтобы уменьшить физические размеры транзисторов до 25 нм. Однако все понимают, что еще три-четыре «поколения», и через дюжину лет электронный мир упрется в физический предел.

В этом отношении аналогия с мозгом не совсем корректна, поскольку размеры нейронов исчисляются десятком-полутора сотнями микрон, что в тысячу раз больше. Но нервная клетка может хранить информацию в течение десятков лет жизни человека, что пока не под силу «холодным» электронным устройствам.

Миниатюрность мемристора, о создании которого было объявлено в начале апреля, просто фантастическая – не больше трех нанометров! При этом его цикл переключения (оn/off) осуществляется всего лишь за одну наносекунду (то есть за одну миллиардную долю секунды).

Чтобы показать, насколько мемристор миниатюрен, 17 штук их засняли с помощью сканирующего электронного микроскопа. Совокупная ширина этого блока составила всего лишь 150 атомов. Таким образом, ширина мемристовой дорожки менее 10 атомов. Как же удалось достичь подобной миниатюризации?

Новая технология имеет ряд преимуществ перед конкурентами, и одно из самых главных – малое потребление энергии, что ведет и к малому выделению тепла, на отведение которого не надо тратить дополнительные количества энергии. Компьютеры на мемристорах будут оставаться холодными и не терять своего быстродействия. Возможность избавиться от меди в них сделает их еще более миниатюрными и легкими (не забудем, что первые ноутбуки были толщиной до пяти сантиметров), но при этом они будут обладать неограниченным набором функций.

В свете всех этих перспектив так и видится обычный человек ближайшего будущего, буквально обвешанный самыми разными дешевыми и легкими электронными девайсами – или с одним-единственным «фоном», который, однако, может буквально все. Широко разрекламированный планшетный iPAD весит 700 граммов, а на мемристорах он, возможно, будет не тяжелее листа бумаги и обладать еще многими функциями, которых он лишен сегодня. Похоже, что даже виртуальная клавиатура не понадобится, поскольку он будет «печатать» прямо с голоса своего владельца. Разработчики технологии создания мемристоров обещают, что буквально через три года их память будет составлять 20 гигабайт на квадратный сантиметр.

Александр Спирин