Нанотехнологии. Правда и вымысел

Наноразмерная электроника

Нанотехнологии произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую произвели компьютеры в манипулировании информацией.

Ральф Меркл (Ralph C. Merkle), профессор Технического колледжа штата Джорджия, США

Наиболее заметные практические шаги нанотехнологии сделаны в области электроники. Сегодня электроника представляет собой самую динамичную отрасль науки и техники. Она изучает физические основы (электронные и ионные процессы в газах и проводниках), а также практическое применение различных электронных приборов и устройств.

Приведем основные показатели, характеризующие мировой рынок электронной промышленности в долларовом эквиваленте:

• отрасли промышленности, связанные с электроникой, – 15 трлн;

• электронное оборудование – более 1 трлн;

• полупроводниковые компоненты – 205 млрд;

• полупроводниковое производственное оборудование – 30 млрд;

• материалы для производства полупроводников – 20 млрд.

При этом среднегодовые темпы роста рынка электронной промышленности и связанных с ней других отраслей составляют более 7 % в год.

Основными этапами развития электронных вычислительных машин явились следующие важнейшие достижения:

• разработка и создание первого компьютера на основе электронных ламп (ENIAC, 1945 год);

• изготовление первого транзистора (Bell Laboratories, 1947 год);

• выпуск первого компьютера на транзисторах (TRADIC, 1955 год);

• разработка первой интегральной схемы (Texas Instruments and Fairchild Semiconductor, 1959 год);

• изготовление первого мини-компьютера (DEC, 1965 год);

• сборка микропроцессора (Intel, 1971 год).

Рассматривая развитие интегральных схем, выделим следующие этапы:

• I этап (1959–1969 годы) – интегральные схемы малой степени интеграции (МИС), 102 транзисторов на кристалле размером 0,25x0,5 мм;

• II этап (1969–1975 годы) – интегральные схемы средней степени интеграции (СИС), 103 транзисторов на кристалле;

• III этап (1975–1980 годы) – интегральные схемы с большой степенью интеграции (БИС), 104 транзисторов на кристалле;

• IV этап (1980–1985 годы) – интегральные микросхемы со сверхбольшой степенью интеграции (СБИС), 105 транзисторов на кристалле;

• V этап (с 1985 года по настоящее время) – интегральные микросхемы с ультрабольшой степенью интеграции (УБИС), 107 и более транзисторов на кристалле.

Следует отметить, что в 1981–1982 годах создание и развитие микросхем со сверхбольшой степенью интеграции стимулировались наличием технологии литографии (электронно-лучевой, рентгеновской и на глубоком ультрафиолете от эксимерного лазера), а также наличием производственного оборудования, и в основном определялись потребностями рынка. Наблюдался процесс их перепроизводства как в США, так и в странах Азии (Японии, Корее, Гонконге и т. п.)

Однако переход от УБИС к следующему поколению интегральных схем или какому-то новому устройству длится уже более четверти века и в настоящее время является сдерживающим фактором в дальнейшем развитии компьютерной техники.

В современных серийно выпускаемых компьютерах достигнуто быстродействие (время, затрачиваемое на одну элементарную операцию) около 1 нс, однако применение ряда наноструктур открывает потенциальные возможности сокращения времени на несколько порядков.

Наиболее реально ожидаемое и самое эффективное практическое применение нанотехнологии должны получить в области нанозаписи и хранения информации, поскольку компьютерная память основана на том, что бит (единица информации) задается состояниями среды (магнитной, электрической, оптической), в которой записывается информация. Как известно, элемент памяти показывает наличие или отсутствие показателя. Поэтому на поверхности можно реализовать ситуацию, при которой 1 бит будет записан в виде скопления, например, 100 или даже 10 атомов. Как отмечается рядом авторов, если такая память будет создана, все содержимое библиотеки Конгресса США уместится на одном диске диаметром 25 см (вместо 250 тыс. лазерных компакт-дисков).

В обычных условиях на перестройку всей концепции создания процессоров и микросхем ушло бы лет 50. Однако у человечества нет такого запаса времени. Необходимость скорейшего перехода на новые концепции схемотехники обусловлена тем, что кремниевые технологии уже практически исчерпали себя, а создать что-то принципиально новое на имеющейся технологической базе практически невозможно.