Вычисления за пределами кремния

Молекулярные электронные устройства, работающие на основе квантового туннелирования, потенциально способны обеспечить плотность интеграции, в тысячу раз превышающую возможности современных кремниевых микросхем. Такой скачок возможен благодаря атомарно точной сборке и использованию трёхмерных производственных подходов.

На протяжении десятилетий — начиная с 1950-х годов — развитие вычислительной техники шло за счёт постоянного уменьшения размеров транзисторов. Однако сегодня этот путь почти исчерпан.

Самые передовые серийные чипы, включая Apple A17 Pro и M4, выпускаемые по 3-нанометровому техпроцессу TSMC, содержат транзисторы с физической длиной затвора менее 15 нанометров. При таких масштабах начинают доминировать квантовые эффекты: электроны просачиваются через барьеры, которые должны их удерживать, вызывая утечки тока даже в выключенном состоянии.

Следствием становятся повышенное энергопотребление, избыточное тепловыделение и падение эффективности — тогда как раньше каждый новый техпроцесс приносил заметный прирост производительности. Экономическая сторона также вызывает тревогу: строительство фабрики для выпуска 3-нм чипов требует инвестиций свыше 20 миллиардов долларов.

На этом фоне исследователи всё чаще обращаются к принципиально иному подходу. А что, если роль электронных компонентов смогут выполнять отдельные молекулы? Эта идея была впервые предложена ещё в 1974 году, когда Арье Авирам и Марк Ратнер теоретически описали органическую молекулу с донорным и акцепторным участками, способную работать как выпрямитель тока.

Поскольку перенос электронов от донора к акцептору происходит легче, чем в обратном направлении, такая молекула проводит ток преимущественно в одну сторону. Эта концепция положила начало области молекулярной электроники, однако её экспериментальная проверка долгое время оставалась недостижимой: работа с объектами размером около одного нанометра требовала методов позиционирования и измерения, которых тогда просто не существовало. Лишь спустя десятилетия технологического прогресса надёжные эксперименты стали реальностью.

В новом обзоре, опубликованном в Nanowerk, анализируются современные методы производства, функциональные устройства и стратегии интеграции. Авторы приходят к выводу, что молекулярная электроника перешла из разряда теоретических концепций в область перспективных технологий. Теоретическая плотность размещения может достигать 10¹⁴ устройств на квадратный сантиметр — примерно в тысячу раз больше, чем у лучших кремниевых чипов сегодня.

В отличие от традиционных микросхем, где заряд движется по сплошным материалам, в молекулярных устройствах перенос электронов осуществляется через отдельные молекулярные связи посредством квантового туннелирования. При этом проводимость экспоненциально уменьшается с ростом длины молекулы: чем она длиннее, тем слабее ток.

Дополнительные возможности управления даёт квантовая интерференция. В молекулах на основе бензольного кольца электроны могут следовать разными путями, усиливая или подавляя друг друга. При пара-соединении контактов интерференция оказывается конструктивной и обеспечивает высокую проводимость. В мета-конфигурации, напротив, возникает деструктивная интерференция, снижающая ток на несколько порядков. Подобное поведение недостижимо в классических полупроводниках.

Ключевая технологическая задача — формирование электродов с зазором менее 3 нанометров. В статических структурах такие зазоры создаются методами электромиграции или с помощью самоорганизующихся молекулярных слоёв, контактирующих с жидкими металлами; углеродные электроды улучшают электрическое сопряжение. В динамических системах контакты многократно формируются и разрываются для сбора статистических данных. Для этого применяются механически управляемые разрывные соединения, методы на основе сканирующего туннельного микроскопа и MEMS-платформы, автоматизирующие измерения. Тысячи циклов позволяют строить гистограммы, отражающие характерную проводимость отдельных молекул.

В перспективе вертикальные каналы — аналогичные сквозным кремниевым переходам — могут соединять многослойные структуры, а для горизонтальной разводки подойдут традиционные металлы, такие как медь или рутений.

Серьёзным ограничением остаётся температурная устойчивость: органические молекулы разрушаются при температурах выше 392 °F, тогда как стандартные процессы производства микросхем требуют нагрева свыше 752 °F. Поэтому исследователи предлагают интегрировать молекулярные компоненты только на финальных этапах изготовления. Для точного размещения рассматривается использование ДНК-оригами — технологии, позволяющей формировать наноразмерные структуры из ДНК и позиционировать молекулы с высокой точностью.

Первые практические применения уже выглядят многообещающе. Молекулярные мемристоры открывают путь к нейроморфным, «мозгоподобным» вычислениям, а молекулярные датчики способны отслеживать отдельные химические реакции, выявляя детали, недоступные традиционным методам анализа.

С уважением, ООО "Компания "База Электроники"

Вернуться на главную