Золотая эпоха в микроэлектронике

^[1]

Минувший год окончательно доказал, что микроэлектроника — ключевая отрасль мировой промышленности. Сюда вливаются миллиарды инвестиций (капиталовложения $160 млрд в 2022 г.) и привлечено внимание крупнейших государств ^[2], которые понимают всю важность вопроса.

Такое внимание даёт повод называть нынешнее время «золотой эпохой в микроэлектронике» ^[3]. Никогда ещё отрасль не была в таком почёте у человечества. В выигрыше от этого и потребители, и бизнес, и учёные, которые могут насладиться щедрым финансированием исследований.

Вот некоторые из самых интересных научно-технических разработок второй половины 2023 года.

▍ Самый быстрый полупроводник

Учёные из Колумбийского университета в США изготовили сверхбыстрый полупроводник ^[4]. Время обработки данных в нём исчисляется в фемтосекундах, что в миллион раз быстрее ^[5] нынешней гигагерцевой электроники.

Вообще, ограничения скорости кремниевых чипов связаны с колебаниями атомов, которые в твёрдых материалах перемещаются в виде квазичастиц, известных как фононы ^[6]. К сожалению, эти фононы рассеивают и электроны, и экситоны ^[7] (носители информации в микросхеме).

Так вот, новый полупроводник из рения, селена и хлора решает проблему рассеяния экситонов. Атомы Re₆Se₈Cl₂ образуют кластеры (суператомы), каждый из которых ведёт себя как один большой атом, но обладает свойствами, отличными от свойств исходных элементов. В кластере шесть атомов рения находятся внутри куба из восьми атомов селена, а сверху и снизу — по атому хлора.

В общем, когда экситоны вступают в контакт с фононами Re₆Se₈Cl₂, то вместо рассеяния они связываются вместе, образуя новые квазичастицы, так называемые акустические экситон-поляроны (см. видеозапись и анимации ^[8] этого процесса).

Движение экситон-полярона в Re₆Se₈Cl₂, съёмка с электронного микроскопа, источник ^[8]

Это первый в мире материал, в котором обнаружено устойчивое движение экситонов при комнатной температуре.

Хотя экситон-поляроны расходятся концентрическими кругами, их следует отличать от поверхностных акустических волн (SAW), показанных здесь на снимках с электронного микроскопа на длине волны 650 нм (1,91 эВ). Скорость поляронов (2,3 км/с) заметно выше, чем SAW (1,6 км/с), источник ^[9]

Электроны в полупроводниках обычно рассеиваются через несколько нанометров, а время их существования измеряется фемтосекундами. В то же время акустические экситоны-поляроны в Re₆Se₈Cl₂ успешно преодолели несколько микрометров (на три порядка дальше) за наносекунду (на шесть порядков дольше), причём их скорость вдвое выше, чем скорость электронов в кремнии. Поскольку поляроны способны существовать около 11 нс, акустические экситон-поляроны могут преодолеть более 25 микрометров, прежде чем рассеяться, считают учёные. По сути, это фотонное устройство ^[10], в котором скорость обработки данных измеряется в фемтосекундах.

Любопытно, что сверхбыстрый полупроводник был обнаружен случайно в ходе испытаний лабораторного микроскопа.

(A) Конфигурация системы для записи движения квазичастиц с фемтосекундным разрешением. Сверху stroboSCAT, а снизу регистратор STR (spacetime transient reflection), то есть переходного отражения в пространстве-времени), источник ^[9]

Упрощённая схема STR. В плоскости сенсора делается щель. Изображение после щели спектрально разрешается спектрометром, а затем попадает на 2D-камеру. В результате пространственная ось проходит по одному измерению, а спектральная — по другому, источник ^[9]

Изначально учёные не предполагали у Re₆Se₈Cl₂ таких феноменальных свойств.
Наряду с графитом и гексагональным нитридом бора, он является ван-дер-ваальсовым материалом ^[11]. Такие материалы состоят из сложенных друг на друга плёнок гладких, атомарно тонких слоёв, удерживаемых вместе слабыми электрическими силами, известными как ван-дер-ваальсовы взаимодействия. И у таких материалов часто обнаруживаются некие гибридные непредсказуемые свойства.

Если говорить о массовом производстве, то основная проблема в том, что новый полупроводник включает крайне редкий элемент рений. Впрочем, вероятность применения в электронике всё-таки есть. Этот материал уже используется в промышленности (в металлических сплавах). Например, его добыча в США составляет около 8000 кг ^[12], а стоимость примерно $10 за грамм, что вполне рентабельно для современных CPU.

Вес микросхемы (die) современного CPU составляет около грамма

Результаты исследования опубликованы ^[4] 27 октября 2023 года в журнале Science (doi: 10.1126/science.adf2698 ^[13]).

▍ Новая солнечная ячейка из перовскита

Ещё одно заметное открытие — это инвертированные перовскитовые солнечные элементы, которые впервые превысили барьер кпд 25% ^[14] по преобразованию солнечной энергии в электрическую. Тут тоже инновация заключается в химии материалов.

Экономика солнечной панели — единственный главный фактор, который на сегодня имеет значение. То есть новая ячейка должна давать больше общей электроэнергии на конкретную площадь в течение срока своей службы, в отношении к затратам на стоимость её производства. Поэтому повышение кпд имеет большое значение, солнечные панели уже сейчас окупаются во многих странах даже при индивидуальном использовании.

Изобретением является добавление в солнечный элемент двух молекул, снижающих потери преобразования. Первая молекула решает проблему поверхностной рекомбинации, при которой электроны теряются, попадая в ловушку дефектов (недостающих атомов на поверхности). Вторая молекула PDAI₂ (пропан-1,3-диаммоний йодид) решает проблему рекомбинации на границе между слоями (граница раздела фаз). В результате кпд элемента значительно возрастает.

Перовскитная солнечная ячейка на основе DMDP под электронным микроскопом, масштаб 100 нм

В итоге сертифицированная Национальной лабораторией возобновляемой энергии (NREL) эффективность перовскитового солнечного элемента составила 25,1%, в то время как предыдущий рекорд был всего 24,09%. Исследование опубликовано ^[15] 16 ноября 2023 года в журнале Science.

Традиционные солнечные элементы изготавливаются из высокочистых кремниевых пластин, которые могут поглощать только определённый диапазон спектра. Размер и состав перовскитных материалов можно изменять, чтобы «настроить» длины поглощаемых волн света. Перовскитная плёнка — потенциально более дешёвая и эффективная технология.

Судя по темпам развития, за солнечной энергетикой будущее человечества. Теоретически, относительно небольшой участок в Сахаре обеспечит электроэнергией всю Европу.

Проект Desertec, план 2009 года, источник ^[16]

Правда, желательно ещё проложить провода из суперпроводников или перевести энергию в нечто транспортабельное, вроде жидкого водорода. В любом случае, теперь проекты типа Desertec ^[17] не кажутся слишком фантастическими.

Стоимость единицы продукции некоторых форм возобновляемой энергии и батарей пассажирских EV снижается, в то время как их использование растёт, источник ^[18]

Гелиоконцентратор на 210 МВт в чилийской пустыне Атакама (сохранение энергии в солевом расплаве более 16 часов позволяет солнечной электростанции генерировать электричество круглосуточно)

▍ UltraRAM: память нового типа на замену DRAM и NAND

Возвращаясь к компьютерным чипам, на Хабре уже упоминалось о новом революционном материале UltraRAM ^[19] от компании QuInAs ^[20], который объединяет свойства оперативной и постоянной памяти. По сути, это DRAM с сохранением состояния, то есть персистентная память, которая без подачи электропитания сохраняет состояние более тысячи лет, а под напряжением работает словно быстрая оперативка, выдерживая минимум 10 млн циклов перезаписи (больше ещё не тестировали). Проект успел получить премию ^[21] как самый инновационный стартап в области флеш-памяти за 2023 год.

Теоретический базис UltraRAM был представлен в научной статье ^[22] авторов из Ланкастерского университета (Великобритания) в январе 2022 года (doi: 10.1002/aelm.202101103 ^[23]). В сентябре 2023 года был изготовлен первый прототип ^[24] (на КДПВ) и закуплено оборудование для производства более продвинутого прототипа 20 нм с целью подтверждения характеристик чипа.

Переход на персистентную память означает принципиальное изменение парадигмы программирования, отказ от концепции «файлов», «буфера» и так далее. Хотя многий софт придётся переписать, но сами компьютеры станут проще и эффективнее.

---

Это лишь немногие из списка самых интересных разработок последнего времени в области микроэлектроники. Нет, такими темпами закон Мура не похоронить, как кто-то собирался несколько лет назад ^[25]. Наоборот, прогресс в разработке микроэлектроники сейчас особенно бурный.