2012-й год положил конец кремнию как символу компьютерной индустрии. В Science опубликована статья, появление которой ожидалось еще с 2006 года, но все равно стало приятным сюрпризом: наконец-то удалось изготовить чип на основе графена, который может сделать микросхемы в разы меньше и эффективнее за счет того, что работают в них не обычные, а туннельные транзисторы.

Сразу же после того, как Андрей Гейм и Константин Новоселов открыли графен, стало ясно, что благодаря его уникальным свойствам его можно и нужно использовать для производства транзисторов в процессорах и блоках памяти. Однако на пути внедрения графена в IT стояло одно существенное препятствие. Чтобы понять, почему графеновые чипы будут лучше кремниевых и в чем революционность нового транзистора, нужно разобраться в основах.

Транзистор – это компонент электроники, позволяющий управлять током в электрической цепи. Для простоты его можно сравнить с водопроводным вентилем, где с помощью сравнительно небольшого усилия мы можем управлять очень мощным потоком воды. Обычные полевые транзисторы работают так: подавая сравнительно небольшое напряжение на затвор из диоксида кремния, мы можем регулировать его сопротивление и таким образом включать и выключать цепь. На одной микросхеме – кремниевом кристалле площадью 1–2 кв. см. – умещается несколько миллиардов таких транзисторов. 

В туннельном транзисторе, конструирование которого впервые было предложено еще в 1986 году отечественными учеными, роль «защелки», запирающей затвор в цепи, может играть один-единственный электрон, проникающий через барьер диэлектрика за счет туннельного эффекта (явления квантовой природы). Транзистор, работающий по такому принципу, будет требовать в разы меньшего напряжения для переключений, а значит, микросхемы станут потреблять меньше энергии. Кроме того, уложить транзисторы в схему можно будет плотнее. Отсюда гораздо большая энергоэффективность и производительность основанной на этом принципе электроники.

Графен, открытый нобелевскими лауреатами Геймом и Новоселовым, как никакой другой материал подходит для создания таких микросхем именно из-за одного из главных своих свойств: высочайшей подвижности электронов внутри решетки. Однако графен не обладает необходимыми полупроводниковыми свойствами, чтобы «включаться» и «выключаться» по необходимости. Группа ученых из Манчестерского университета решила эту проблему, собрав «сэндвич» из двух слоев графена и слоя солей бора или молибдена толщиной в одну молекулу в качестве прослойки. Такой «затвор» дает разницу в силе пропускаемого тока в 50 раз в случае с нитридом бора и в 10 000 раз в случае с дисульфидом молибдена. Это вполне рабочий диапазон для микросхемы.

Итак, графеновый транзистор создан. Что особенно важно, его работа почти не зависит от температуры – одного из главных бичей всех радиоэлектронных устройств. До сих пор фундаментальной проблемой некремниевой электроники было то, что она работала только при очень низких температурах. А устройства на основе графена смогут работать и при комнатной температуре, и с перегревом. В общем, обладают теми же эксплуатационными свойствами, что кремний, при гораздо большей эффективности. 

По мнению самих авторов статьи, среди которых ученые из нескольких стран, и в том числе много русских фамилий (Сергей Морозов из Института микроэлектронных технологий в Черноголовке, Роман Горбачев и Леонид Пономаренко из Манчестера, а также сами Гейм и Новоселов), потенциал у созданного транзистора огромный.

До последнего времени создание туннельных транзисторов, стабильно работающих в бытовых, а не лабораторных, условиях (в первую очередь, это касалось температуры) считалось невозможным. Теперь энергоэффективность процессоров может увеличиться, а размеры плат уменьшиться в несколько раз. Таким образом, электроника пройдет очередную ступень развития по Закону Мура, а возможно, что и шагнет через одну.

Примечание: Закон Мура — эмпирическое наблюдение, сделанное в 1965 году (через шесть лет после изобретения интегральной схемы), в процессе подготовки выступления Гордоном Муром (одним из основателей Intel).

Мур высказал предположение, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые 24 месяца. При анализе графика роста производительности запоминающих микросхем им была обнаружена закономерность: появление новых моделей микросхем наблюдалось спустя примерно одинаковые периоды (18—24 мес.) после предшественников, при этом количество транзисторов в них возрастало каждый раз приблизительно вдвое. Гордон Мур пришел к выводу, что при сохранении этой тенденции мощность вычислительных устройств за относительно короткий промежуток времени может вырасти экспоненциально.