U korak s Murovim zakonom
Poslednjih decenija sve češće se govori da Murov postulat o brzini razvoja više ne važi u tehnologiji proizvodnje poluprovodničkih elektronskih komponenti, koje direktno određuju performanse računara. Kako održati korak?
Moore‑ov zakon dobio je ime po jednom od osnivača kompanije Intel (Gordon Moore, rođen 1929. godine), koja na tržištu diktira trendove razvoja čipova. Po toj hipotezi, performanse računara udvostručuju se na svake dve godine (mada se u početku govorilo o 18 meseci). Ovaj zakon važi od 1965, dakle više od 50 godina, i dosad su se Murova predviđanja za silicijumske elektronske komponente (čipove) dobro držala. Poslednjih godina evidentno je usporavanje razvoja čipova, i zbog toga se intenzivno radi na pronalaženju novih rešenja koja će poluprovodničkoj tehnologiji omogućiti da održi korak s idealima Murovog zakona.
Istovremeno, razvijaju se i mnoge nove tehnologije za realizaciju elektronskih komponenti koje će zameniti poluprovodničku – molekularni tranzistori, DNK i kvantni čipovi… Praktičnu vrednost i budućnost tih eksperimenata nije lako predvideti. Zbog toga se još uvek mnogo energije ulaže u alternativna tehnološka rešenja koja će omogućiti dalje uspešno korišćenje poluprovodnika.
Dvodimenzionalni poluprovodnici
Nove tendencije u poluprovodničkoj tehnologiji baziraju se na uvođenju novih materijala, od kojih je najpoznatiji grafen, a najnovije rešenje dolazi sa Univerziteta u Juti. Ono što je zajedničko za sva ta rešenja, s obzirom na činjenicu da elektronske komponente treba da budu što manjih dimenzija kako bi se više njih smestilo na jednom čipu i na taj način povećala snaga računara, jeste formiranje tzv. dvodimenzionalnih čipova izuzetno male debljine.
Za izradu elektronskih komponenti danas se koriste trodimenzionalne strukture materijala, tako da zauzimaju dosta prostora na čipu i ograničavaju snagu računara koja bi se mogla ostvariti povećanjem njihove gustine. Zbog toga su naučnici širom sveta radili na realizaciji supertankih materijala, debljine samo jednog atoma, tako da se u jednom milimetru može smestiti oko tri miliona slojeva.
Najvažnija karakteristika 2D materijala jeste to što se odlikuju vrlo brzim kretanjem elektrona, znatno bržim nego kod silicijuma ili drugih materijala trodimenzionalne strukture. Jer, u 3D strukturama elektroni se kreću u svim pravcima, dok se u materijalima sa 2D strukturom kreću samo u jednoj ravni tj. po jednom sloju. S obzirom na to da se elektroni kreću u jednom sloju, pojavljuje se manja frikcija (trenje), pa se čipovi zagrevaju manje nego sadašnje elektronske komponente i uređaji.
Tehnologija omogućava stvaranje elektronskih komponenti vrlo malih dimenzija, a onda i znatno bržih računara, kao i drugih savremenih uređaja. Pritom oni zahtevaju ulaganje manje energije jer imaju manju potrošnju, što je posebno bitno za mobilne uređaje kojima se znatno produžava vek trajanja baterija.
Supertanki 2D materijali
Supertanku 2D strukturu imaju grafen, molibden‑disulfid i borofen. Grafen, alotropska modifikacija ugljenika, dvodimenzionalne je strukture (ravan debljine jednog atoma). Za njegovo izdvajanje iz grafita naučnici ruskog porekla Andrej Konstantinovič Gejm i Konstantin Sergejevič Novoselov dobili su 2010. godine Nobelovu nagradu za fiziku. Grafen se odlikuje velikom brzinom kretanja elektrona koji su 35 puta pokretljiviji nego u bakru. Osim osobina provodnika, on pokazuje i osobine poluprovodnika, što ga kvalifikuje za realizaciju elektronskih komponenti. Odlikuje se i velikom tvrdoćom ali je i vrlo fleksibilan, rastegljiv, sa odličnim temperaturnim karakteristikama i skoro u potpunosti providan. O njemu smo pisali još u PC#171. Iako je najpopularniji 2D materijal, grafen se još uvek slabo primenjuje zato što je veoma skup.
Drugo rešenje dolazi sa MIT‑a, čiji su istraživači za realizaciju elektronskih komponenti (čipova) iskoristili 2D verziju molibden‑disulfida (MoS‑2‑). To je prirodni poluprovodnik od koga lako mogu da se prave tranzistori. Iskoristili su ga za realizaciju logičkih kola (NAND), regulatora, memorijskih elemenata i oscilatora. Slično rešenje ostvarili su istraživači sa univerziteta Braun (SAD), Šansi i Cinghua (Kina). Borosferen (bukminsterfuleren) je organsko jedinjenje koje sadrži 60 atoma ugljenika. Na bazi tog jedinjenja oni su napravili, po uzoru na grafen, poluprovodni materijal dvodimenzionalne strukture koji je nazvan borofen.
Novi 2D materijal sa Univerziteta u Juti
Dalje važenje Murovog zakona mogao bi da omogući novi materijal koji je otkrio tim inženjeri sa Univerziteta u Juti, na čijem čelu je profesor Ashutosh Tiwari. Reč je o tankom poluprovodnom materijalu od kalaj‑monoksida (SnO), čija je debljina sloja, kao i u prethodnim slučajevima, samo jedan atom.
Kalaj‑monoksid je jedinjenje kalaja i kiseonika, koje se može pojaviti u dva oblika: stabilnom, plavo‑crne boje, kao i metastabilnom crvene boje. Ima tetragonalnu kristalnu rešetku i nerastvorljiv je u vodi. Molarna masa mu je 134,71 g/mol, gustina 6,45 g/cm3, tačka topljenja 1080 stepeni Celzijusa a ključanja 1425 stepeni.
Osim velike brzine kretanja elektrona svojstvene svim 2D materijalima, kalaj‑monoksid ima još jednu bitnu prednost. On u poluprovodniku omogućava kretanje ne samo negativnih naelektrisanja (elektrona), već i pozitivnih naelektrisanja (šupljina). Na taj način inženjeri sa Univerziteta u Juti napravili su prvi postojeći dvodimenzionalni poluprovodnik P‑tipa. S njegovom strukturom može se realizovati i poluprovodnik P i poluprovodnik N tipa, što otvara brojne mogućnosti za stvaranje najrazličitijih elektronskih kola.
Pri formiranju elektronskih komponenti, kalaj‑monoksid smešta se na podlogu (supstrat) od silicijum‑dioksida. Pritom se za formiranje ultratankog sloja koristi PLD (Pulse Laser Deposition) tehnologija.
Zatim se kombinuje više slojeva jedan iznad drugog. FET‑ovi s nekoliko slojeva već su uspešno realizovani, a optimalan broj slojeva u ovoj fazi razvoja tehnologije je 12. Sledeća faza je realizacija CMOS (complementary metal oxide semiconductor) integrisanog kola.
Tim iz Jute očekuje da bi za dve do tri godine mogao biti napravljen prototip uređaja sa čipovima na bazi kalaj‑monoksida. Oni veruju da će na taj način omogućiti proizvodnju znatno bržih tranzistora koji bi imali mnogo manje dimenzije od savremenih. Na taj način, računari i mobilni uređaji bili bi stotinu puta brži od današnjih. Nestrpljivo očekujemo…
Nadežda Veljković
