Графенова революція

Через 63 роки після появи першого біполярного транзистора електроніка знову опинилася на порозі кардинальних змін.

Із моменту свого зародження, а сталося це в середині минулого століття, сучасна мікроелектроніка й процесорна техніка чітко діють за емпіричним законом, сформульованим американським інженером і засновником корпорації «Інтел» Гордоном­ Муром. Нагадаємо його: «Через кожні два роки кількість транзисторів на кристалі того самого розміру подвоюється».

Ще в 1971 році транзистори розміщалися із кроком у 10 мкм, у 1978 — 3 мкм, у 1989 — 1 мкм, у 1997 — 0,25 мкм, у 2005 — 65 нм. Новітні серійні процесори «Інтел» лінійки Intel Core реалізовані на 32-нанометровій технології. Можна впевнено прогнозувати, що 10-нанометрова технологія виробництва буде освоєна вже протягом найближчих 5-7 років.

Після цього станеться одне із двох: або закон Мура вже не дотримуватиметься й прогрес обчислювальної техніки фактично зупиниться, або вчені та інженери знайдуть нову технологію виробництва мікропроцесорів. Чому? Річ у тім, що кремній, який покладено в основу всіх процесорів, що сьогодні випускаються, зберігає свої електричні властивості тільки за розмірів понад 10 нм. Цю теоретичну межу наявної технології перевершити не можна.

На щастя, це й не обов’яз­ково. У 2004 році двоє вчених із Манчестерського­ університету Андрій Гейм і його учень Костянтин ­Новосьолов винайшли тех­­но­логію одержання графену — нового матеріалу, що являє собою одноатомний шар вуглецю. Цього року заслуги винахідників графену були відзначені Нобелівською премією в галузі фізики — останньою серед безлічі престижних нагород, отриманих двома вченими. Новий матеріал має багато корисних властивостей, з яких найцікавіша — можливість використання під час виробництва процесорів майже за тією ж технологією, що й у сьогоднішніх кремнієвих мікросхемах.

Утім, нова технологія все-таки має декілька істотних відмінностей. 18 жовтня вчені Каліфорнійського університету повідомили про прорив у галузі розроблення так званого спін-комп’ютера, що об’єднає в собі класичну системну  логіку з енергонезалежною пам’яттю, ліквідуючи тим самим необхідність процесу завантаження.

Нова технологія виробництва транзисторів може бути готова до промислового використання вже через 5 років і дозволить знизити споживання електроенергії до рівня, за якого комп’ютери, мобільні телефони та інші електронні пристрої зможуть бути ввімкненими постійно.

Американським ученим удалося успішно інжектувати обертовий електрон в одноатомний лист графену. Цей процес, який уже встиг дістати назву «тунельної спін-інжекції», дозволяє представити 1 біт даних як наявність або відсутність одного електрона. Інформація, збережена таким чином, є не тільки енергонезалежною, а й доступною для обробки безпосередньо за місцем зберігання.

Останній факт особливо важливий. Досі в класичній комп’ютерній архітектурі фон Неймана існувало «пляшкове горло» — низька швидкість передачі інформації між пристроєм зберігання даних (наприклад, жорстким диском) і центральним обробним пристроєм (процесором), на який припадала значна втрата у швидкості обчислень.

Як заявив один із провідних дослідників проекту Роланд Кавакамі, ліквідація «пляшкового горла» фон Неймана дозволить збільшити швидкість роботи процесорів у тисячі разів, фактично об’єднавши їх з оперативною пам’яттю в одному фізичному пристрої. Кавакамі також повідомив, що  сьогодні електроніка знову виявилася на етапі, аналогічному переходу від вакуумних ламп до транзисторів. За його словами, масове виробництво спін-комп’ютерів почнеться вже в цьому десятилітті.