Молекулярные устройства с атомарной точностью сборки готовы сломать барьер, в который упёрлась современная техника. Новая технология обещает размещать на одном чипе в тысячу раз больше компонентов, чем позволяют лучшие кремниевые решения.
Десятилетиями индустрия наращивала вычислительную мощность простым уменьшением транзисторов. Но этот путь завёл в тупик — и физический, и финансовый.
Топовые процессоры вроде Apple A17 Pro и M4, созданные на 3-нанометровом конвейере TSMC, уже работают на пределе: длина их затвора не превышает 15 нанометров.
На таких микроскопических масштабах в игру вступает квантовое туннелирование. Электроны игнорируют барьеры и «утекают» даже в выключенном состоянии. Результат — пустая трата энергии, перегрев и падение эффективности, которая раньше стабильно росла от поколения к поколению.
К физике добавляется экономика. Строительство завода под 3-нанометровый техпроцесс сегодня требует инвестиций свыше $20 млрд. Совокупность проблем заставила инженеров вернуться к радикальной идее: использовать в качестве электронных компонентов отдельные молекулы.
Читайте: Китайские учёные вплели процессор в нить – Одежда выдержала грузовик и 100 стирок
Потенциал молекулярной электроники
В теории одна молекула способна работать как микроскопический диод — электронам проще течь по ней в одном направлении.
Долгое время эксперименты тормозила сложность управления объектами размером в нанометр.
Потребовались десятилетия, чтобы перейти от гипотез к надёжному тестированию. Журнал Microsystems & Nanoengineering в свежем обзоре фиксирует: молекулярная электроника переросла стадию лабораторной экзотики и готова к промышленному внедрению.
Аналитики прогнозируют фантастическую плотность упаковки — до 10 в 14 степени на квадратный сантиметр. Это тысячекратный скачок по сравнению с нынешним кремнием.
Квантовые правила
Здесь не работают законы классических полупроводников. Заряд движется через молекулярные переходы благодаря квантовому туннелированию, а проводимость резко падает, если молекула становится длиннее.
Инженеры получают дополнительный рычаг управления — квантовую интерференцию. В молекулах на основе бензола электроны выбирают разные пути, которые могут усиливать или гасить друг друга.
Если соединить контакты на противоположных концах кольца (пара-положение), проводимость будет высокой. В других конфигурациях сигнал затухает на порядки. Это открывает возможности, недостижимые для привычных материалов.
Проблемы масштабирования
Главный вызов при сборке — разместить электроды на расстоянии менее 3 нанометров друг от друга.
В статических системах зазоры создают электромиграцией или с помощью жидких металлов. Качество контакта здесь часто повышают углеродными электродами. Для динамических тестов используют системы на базе MEMS, которые тысячи раз размыкают и замыкают контакты.
Так, учёные собирают статистику и определяют точные характеристики проводимости конкретных молекул.
Архитектура будущих чипов, скорее всего, станет трёхмерной. Вертикальные каналы свяжут слои молекул, а горизонтальная разводка будет выполнена из меди или рутения. Однако остаётся серьёзное препятствие — температура.
Органические молекулы разрушаются уже при 200 °C, тогда как стандартное производство чипов требует нагрева выше 400 °C. Исследователи предлагают монтировать молекулы на финальных этапах или использовать технологию «ДНК-оригами» для точного позиционирования.
Первые прототипы — молекулярные мемристоры для нейросетей и сверхточные сенсоры — уже доказывают жизнеспособность концепции.
Хочу первым узнавать о ТЕХНОЛОГИЯХ – ПОДПИСАТЬСЯ на Telegram
Читать свежие обзоры гаджетов на нашем сайте – TehnObzor.RU