Графеновая революция

Спустя 63 года после появления первого биполярного транзистора электроника вновь оказалась на пороге кардинальных перемен.

С момента своего зарождения, а случилось это в середине прошлого века, современная микроэлектроника и процессорная техника четко следуют эмпирическому закону, сформулированному американским инженером и основателем корпорации «Интел» Гордоном Муром. Напомним его: «Через каждые два года число транзисторов на кристалле одного и того же размера удваивается».

Еще в 1971 году транзисторы размещались с шагом в 10 мкм, в 1978-м — 3 мкм, в 1989-м — 1 мкм, в 1997-м — 0,25 мкм, в 2005-м — 65 нм. Новейшие серийные процессоры «Интел» линейки Intel Core реализованы на 32-нанометровой технологии. Можно уверенно предсказать, что 10-нанометровая технология производства будет освоена уже в течение ближайших 5-7 лет.

После этого произойдет одно из двух: или закон Мура перестанет соблюдаться и прогресс вычислительной техники практически остановится, или ученые и инженеры найдут новую технологию производства микропроцессоров. Почему? Дело в том, что кремний, лежащий в основе всех выпускаемых сегодня процессоров, сохраняет свои электрические свойства только при размерах более 10 нм. Выше этого теоретического предела существующей технологии не прыгнешь.

К счастью, это и не обязательно. В 2004 году двое ученых из Манчестерского университета Андрей Гейм и его ученик Константин Новоселов изобрели технологию получения графена — нового материала, представляющего собой одноатомный слой углерода. В этом году заслуги изобретателей графена были отмечены Нобелевской премией в области физики — последней в ряду множества престижных наград, полученных двумя учеными. Новый материал обладает целым рядом полезных свойств, из которых наиболее интересное — возможность его использования при производстве процессоров практически по той же технологии, что и в сегодняшних кремниевых микросхемах.

Впрочем, новая технология все же имеет ряд существенных отличий. 18 октября ученые Калифорнийского университета сообщили о прорыве в области разработки так называемого спин-компьютера, который объединит в себе классическую системную  логику с энергонезависимой памятью, ликвидируя тем самым необходимость процесса загрузки.

Новая технология производства транзисторов может оказаться готовой к промышленному использованию уже через 5 лет и позволит снизить потребление электро­энергии до уровня, при котором компьютеры, мобильные телефоны и другие электронные устройства смогут быть включенными постоянно.

Американским ученым удалось успешно инжектировать вращающийся электрон в одноатомный лист графена. Этот процесс, уже успевший получить название «туннельной спин-инжекции», позволяет представить 1 бит данных как наличие или отсутствие 1 электрона. Информация, хранимая таким образом, оказывается не только энергонезависимой, но и доступной для обработки непосредственно по месту хранения.

Последний факт особенно важен. До сих пор в классической компьютерной архитектуре фон Неймана существовало «бутылочное горло» — низкая скорость передачи информации между устройством хранения данных (например, жестким диском) и центральным обрабатывающим устройством (процессором), на которое приходилась значительная потеря в скорости вычислений.

Как заявил один из ведущих исследователей проекта Роланд Каваками, ликвидация «бутылочного горла» фон Неймана позволит увеличить скорость работы процессоров в тысячи раз, фактически объединив их с оперативной памятью в одном физическом устройстве. Каваками также сообщил, что  сегодня электроника вновь оказалась на этапе, аналогичном переходу от вакуумных ламп к транзисторам. По его словам, массовое производство спин-компьютеров начнется уже в этом десятилетии.