Как углеродные нанотрубки
могут изменить будущее
беспроводной связи.
В современном мире скорость передачи информации становится всё важнее. Эволюция буквально всех сфер ИТ — от мобильной связи до высокотехнологичных радаров и вычислительных систем — зависит от этого показателя. Электроника становится всё быстрее и компактнее, и одним из главных героев этой гонки выступает, конечно же, транзистор — малютка, незаметный глазу, на котором строится практически всё величие информационных технологий.
Основанные на кремнии, обычные транзисторы уже давно и надёжно справляются с задачами, работая на частотах до 300 ГГц. Это значит, что обрабатываемые ими сигналы меняются до трёхсот миллиардов раз в секунду. И сегодня такими скоростями могут похвалиться далеко не все каждый транзистор. Однако технологии стремятся вперёд, и не так давно стали появляться системы шестого поколения (6G), где речь идёт уже о триллионах операций в секунду. Например, по состоянию на июнь 2025 года, самым мощным суперкомпьютером считается El Capitan в Ливерморской национальной лаборатории США, чья производительность показала 1,742 экзафлопса (1,7 квинтиллиона операций в секунду). Тем не менее, даже эти системы работают на обычных «старых» транзисторах, в то время как на таких скоростях явно напрашивается совершенно иной подход.
Объединённая команда исследователей из трёх китайских университетов (Пекинского, Сянтань и Чжэцзянского) представила своё видение давно открытого вопроса по преодолению предела, явившегося следствием пресловутого закона Мура. Логично, что, приближаясь к фундаментальным физическим ограничениям, мы должны не уменьшать транзисторы, а увеличивать их эффективность. Способ осуществить это и был предложен китайскими учёными. Они разработали новый вид транзисторов, которые в несколько раз быстрее современных кремниевых аналогов. Созданные из выровненных массивов углеродных нанотрубок (УНТ), они могут работать на частотах выше одного терагерца — то есть производить более триллиона операций в секунду (1 ТГц = 1000 ГГц).
Это как сравнить быструю машину с гиперзвуковым самолётом — масштабы разные, но принцип тот же: скорость, надёжность, энергоэффективность. Представьте, какие результаты мог вы выдать El Capitan при своих 11 039 616 ядер… Наверное, это было бы молниеносно.
Авторы работы добились таких результатов, оптимизируя структуру устройства и саму технологию создания нанотрубок. Например, одна из разработок — транзисторы с миниатюрным затвором длиной всего 35 нанометров (это в десятки тысяч раз тоньше человеческого волоса). Они способны пропускать ток и усиливать сигналы с рекордной частотой — выше 1 ТГц!
Сами углеродные нанотрубки представляют собой цилиндры из свёрнутых в форму трубы графеновых плоскостей (атомарных слоёв углерода). Будучи выстроенными в прочную сетку, эти полые структуры, диаметром до нескольких десятков нанометров, удивительно крепки и отлично проводят электричество. Они могут иметь как оду стенку, если скручен один слой графена, так и несколько — если закручено несколько слоёв. При этом изменяются их свойства, а смещением слоёв относительно друг друга можно добиться ещё больших вариаций поведения и специфических характеристик материалов.
Эта гибкость и вариативность и сподвигла команду опробовать УНТ в качестве материала для создания транзисторов. Эксперимент удался. В качестве наглядного примера приводятся созданные на основе новых устройств радиочастотные усилители. Оказалось, что микросхема на подобных транзисторах может усилить мощность очень высокочастотного сигнала более чем в сто раз. Это просто невероятное решение для беспроводной связи, ведь чем выше частота, тем больше данных можно передать по воздуху.
Такие транзисторы и усилители нужны не только для новых смартфонов — их ждут в радиолокации, быстрых компьютерах, мощных сенсорах и технологиях передачи данных. Проще говоря, это фундамент для будущих беспроводных сетей, которые будут работать в десятки раз быстрее нынешних. Помимо этого, описанный в Nature Electronics подход заставляет вычислительную инженерию присмотреться к нанотрубкам как к новому строительному материалу для электроники уже ближайшего будущего. И речь, конечно, не только о средствах связи, но и о продвинутых вычислительных архитектурах, чья терагерцовая мощность так нужна в эпоху бурного роста интеллектуальных технологий.
По материалам АРМК.