Самособирающиеся компьютерные микросхемы будущего

Транзисторы, на которых работает телефон у вас в кармане, невероятно малы: на срезе человеческого волоса их может поместиться более 3 000 штук. Чтобы поспевать за инновациями, наподобие распознавания лиц и дополненной реальности, необходимы намного более производительные компьютерные схемы, но для них кончается место. В своём новаторском выступлении разработчик-технолог Карл Скьоннеманд представляет совершенно новый способ создания чипов. Он говорит: «Может быть, это будет рассвет новый эры производства на молекулярном уровне».

Раньше компьютеры были размером с комнату.

Сейчас они помещаются в карман,

на запястье,

они даже могут быть
имплантированы в тело человека.

Здорово, не правда ли?

Все это стало доступно благодаря
уменьшению размеров транзисторов —

крошечных переключателей
в электронных цепях

самого сердца компьютера.

Для этого понадобились
десятилетия разработок,

прорывов в областях науки и инженерии,

а также миллиарды долларов инвестиций.

Но это дало нам огромные
вычислительные возможности,

гигантские объёмы памяти

и цифровую революцию,
плодами которой мы сегодня пользуемся.

Плохая новость в том,

что мы близки к тому,
чтобы уткнуться в цифровой барьер,

поскольку темпы миниатюризации
транзисторов замедляются.

Это происходит одновременно

с неуклонно продолжающимся прогрессом
в областях программного обеспечения,

искусственного интеллекта
и больших данных.

Наши устройства рутинно
распознают лица, дополняют реальность

и даже управляют автомобилями
на коварных дорогах с хаотичным движением.

Это поразительно.

Но если мы не будем поспевать
за аппетитами программного обеспечения,

то достигнем той стадии
развития технологий,

когда возможности,
которые даёт программное обеспечение,

будут ограничены аппаратурой.

Нам всем знакомо раздражение от того,
что старые смартфоны или планшеты

начинают тормозить с течением времени,
вплоть до полной остановки,

из-за растущего груза
обновлений и новых функций.

И ведь совсем недавно, после покупки,
всё работало отлично.

Но жадные разработчики постепенно «съели»

весь объём памяти устройства.

Полупроводниковая промышленность
об этом хорошо осведомлена

и занимается разработкой
всевозможных креативных решений,

включая переход от транзисторов
к квантовым вычислениям

или применение транзисторов
в альтернативных архитектурах,

например, в нейронных сетях,

для создания более надёжных
и эффективных микросхем.

Но такие разработки
потребуют значительного времени,

а нам нужно, по большому счёту,
немедленное решение этой проблемы.

Темпы миниатюризации
транзисторов замедляются,

потому что постоянно растёт
сложность процесса их изготовления.

До изобретения интегральных схем

транзисторы были весьма громоздкими

и строились на основе
кристаллических кремниевых пластин.

И в результате 50 лет
непрерывного развития

на текущий момент удалось
уменьшить размер транзисторов

до 10 нанометров.

На одном квадратном миллиметре
кремниевой пластины

можно разместить
более миллиарда транзисторов.

Для сравнения,

толщина человеческого волоса
составляет 100 микрон.

Диаметр почти невидимого эритроцита

составляет 8 микрон,

на срезе волоса поместится аж 12 таковых.

Для сравнения, транзистор намного меньше,

его ширина составляет
ничтожную долю микрона.

По диаметру эритроцита

можно разместить более 260 транзисторов,

на срезе человеческого
волоса — более 3 000.

У вас в кармане прямо сейчас находятся
уму непостижимые нанотехнологии.

Помимо очевидных преимуществ

размещения большего числа
транзисторов на чипе,

маленькие транзисторы

быстрее и значительно эффективнее.

Это сочетание позволило

снизить стоимость, увеличить
производительность и эффективность

замечательной современной электроники.

При производстве интегральных схем

транзисторы наращиваются послойно

на кристаллической кремниевой пластине.

Упрощённо,

каждая крошечная деталь схемы

проецируется на поверхность
кремниевой пластины

и записывается
на светочувствительный носитель,

а затем вытравливается в нём,

чтобы сохранить рельеф
на его нижних слоях.

Этот процесс за последние годы
чрезвычайно улучшился,

позволив современной электронике
достичь сегодняшней производительности.

Но с уменьшением размеров транзисторов

стали заметны физические ограничения

этого технологического процесса.

Новейшие системы создания рельефа

становятся настолько сложны,

что каждый станок, по моим сведениям,
стóит более 100 миллионов долларов.

На заводах по производству полупроводников
находятся десятки таких станков.

Встаёт серьёзный вопрос о жизнеспособности
этого подхода в долгосрочной перспективе.

Мы уверены, что производство микросхем

можно организовать совершенно
по-другому и намного дешевле,

используя молекулярную инженерию
и имитируя природу

в нанодиапазоне наших транзисторов.

Как я уже сказал,
при традиционном производстве

все мельчайшие детали схемы
проецируются на кремниевую основу.

Но в структуре интегральной схемы,

в массивах транзисторов,

многие элементы повторяются миллионы раз.

Это структура с высокой повторяемостью.

И мы хотим использовать
преимущества этой повторяемости

в альтернативной технологии производства.

Мы хотим использовать
самособирающиеся материалы

для естественного формирования
повторяющихся структур,

необходимых для производства транзисторов.

Мы подбираем материалы,

делающие всю тяжёлую работу
по формированию точного рельефа

вместо того, чтобы выжимать всё возможное
и невозможное из технологии проецирования.

В природе много примеров самосборки,

начиная с липидных мембран
и заканчивая клеточными структурами,

так что мы знаем, что это
может быть надёжным решением.

То, что приемлемо для природы,
должно быть приемлемо и для нас.

Мы хотим использовать в технологии
производства полупроводников

встречающийся в природе
надёжный принцип самосборки.

Один такой тип
самоагрегирующегося материала,

известный как блок-сополимер,

состоит из двух полимерных цепей
длиной в несколько десятков нанометров.

Но эти цепи не переносят друг друга.

Они отталкивают друг друга,

как масло и вода,
или мои подростки сын и дочь.

(Смех)

Но мы безжалостно соединяем их,

создавая, по мере их попыток отделиться,

внутренний конфликт в системе,

В куске материала таких
взаимодействий миллиарды,

похожие компоненты пытаются
притянуться друг к другу,

противоположные —
оттолкнуться друг от друга,

причём одновременно.

Это и есть встроенный конфликт,
напряжённость в системе.

Всё ходит кругами, выгибается,
пока не примет окончательную форму.

Самособранная естественным путём
в нанодиапазоне форма

регулярна, периодична и долговечна,

и именно это необходимо
для массивов транзисторов

Следовательно, можно использовать
молекулярную инженерию

для создания форм различных размеров

с различной периодичностью.

Например, если взять симметричную молекулу

с двумя полимерными цепями схожей длины,

из неё естественным образом
самосборки сформируется

длинная извилистая линия,

сильно напоминающая отпечаток пальца.

Ширина линий отпечатков пальцев

и расстояние между ними

определяется длиной полимерных цепей

и уровнем встроенного в систему конфликта.

Мы даже можем создать
более развитые структуры,

используя асимметричные молекулы,

где одна полимерная цепь
намного короче другой.

В таком случае образуется
следующая структура:

короткие цепи формируют
в центре плотный шар,

окружённый длинными,
противоположными полимерными цепями,

образующими естественный цилиндр.

Размер этого цилиндра

и расстояние между цилиндрами,
их периодичность

опять же зависят от длины полимерных цепей

и уровня встроенного конфликта.

Иными словами, мы используем
молекулярные технологии

для формирования самособирающихся
структур в нанодиапазоне

в виде линий или цилиндров
с требуемыми размерами и периодичностью.

Мы используем химию,
химические технологии,

чтобы производить детали
для транзисторов в нанодиапазоне.

Способность этих структур к самосборке

является только половиной
решения проблемы,

нам всё ещё нужно их расположить

в интегральных схемах
на месте транзисторов.

Это достигается относительно просто

с использованием широких
направляющих фиксаторов,

крепящих самособранные структуры по месту

и выстраивающих параллельно

аналогичные структуры,

присоединяя их к направляющим.

Например, для создания
тонкой 40-нанометровой линии,

которую очень тяжело создать
с традиционной проекционной технологией,

можно построить с обычной технологией

120-нанометровую направляющую структуру,

и эта структура объединит три
40-нанометровых линии между ними.

То есть материалы сами по себе
создают сложный рельеф.

Мы называем этот подход
«управляемая самоагрегация».

Проблема с этим состоит в том,

что всю систему нужно
выстроить практически идеально,

поскольку малейший изъян в структуре
приведёт к неисправности транзистора.

И поскольку в наших схемах
миллиарды транзисторов,

нужна практически идеальная
молекулярная система.

Но чтобы этого достичь,

мы собираемся приложить
все возможные усилия,

от чистоты химических веществ

до тщательной обработки материалов

на полупроводниковых заводах,

чтобы не допустить ни малейшего
наноскопического дефекта.

Так что управляемая самоагрегация —
это новая интересная передовая технология,

но она всё ещё находится
на стадии развития.

Но в нас растёт уверенность,
что всего лишь через несколько лет

её можно будет применить

как революционный производственный процесс

в полупроводниковой промышленности.

Если мы этого добъёмся,
если всё пройдёт успешно,

мы сможем продолжить

недорогое уменьшение транзисторов,

продолжить распространение
вычислительных возможностей

и цифровой революции.

Может быть, это будет рассвет новой эры

производства на молекулярном уровне.

Здорово, не правда ли?

Спасибо.

(Аплодисменты)