Песок всему голова
Вы замечали, каким горячим иногда становится ваш ноутбук? А как быстро он разряжается? И наверняка хоть раз в жизни у вас зависала какая-то программа или игра в самый неподходящий момент? Проблема может быть скрыта в процессоре.
У любого компьютера, как и у человека, есть «мозг». И называется он процессором. Именно он обрабатывает программный код и раздает указания остальным составляющим компьютера. Это происходит примерно так же, как человеческий мозг отправляет команды рукам или ногам.
Выглядит процессор как тонкая пластинка прямоугольной формы, размером в несколько квадратных миллиметров. На ней установлены транзисторы. Эти механизмы играют роль своеобразных переключателей. Как кран на кухне способен включать и выключать воду, так и транзистор способен включать и выключать передачу электрического тока. У транзистора есть проводник, по которому идет ток, и проводник, по которому ток не идет. А между ними расположен проводящий канал, который или открыт и пропускает ток из одного проводника в другой, или закрыт.
Все современные вычислительные устройства используют для вычислений всего два числа: 0 и 1. Если ток проходит через транзистор — значит сигнал есть, это 1. Если ток не проходит — сигнала нет, это 0. Разная последовательность нулей и единиц формирует разную информацию: картинки, видео, текст. Современные процессоры вмещают в себя миллиарды транзисторов. А значит они могут с невероятной скоростью обрабатывать огромные массивы информации.
Пластинка процессора расположена на подложке. А у подложки есть маленькие ножки-иголочки. Благодаря им пластинка соединяется с остальными системами компьютера. Сверху процессор накрывается крышкой, которая не только защищает его от повреждений, но и обеспечивает охлаждение.
Изготавливаются процессоры из кремния. Это основной компонент почти всей современной электроники. Причина такой популярности кроется в свойствах. Кремний — полупроводник. То есть он проводит электричество чуть хуже, чем металлы, но лучше, чем изоляторы, а значит поток электрического тока в нем можно легко контролировать. К тому же это наиболее распространенный на Земле элемент. После кислорода, конечно. В природе кремний почти не встречается в чистом виде. Но его без труда давно добывают из самого обычного песка.
И все бы ничего, если бы не «Закон Мура», сформулированный еще в 60-х годах ХХ века. Его автор — учредитель компьютерной компании Intel Гордон Мур. Согласно этому закону, количество транзисторов, размещаемых на пластинке процессора, должно удваиваться примерно каждые полтора-два года. Это связано с постоянным ростом требований к вычислительной мощности процессоров.
Закон работает. Ведь все современные электроприборы появились именно благодаря уменьшению размеров транзисторов и увеличению их количества на процессорах. Но уже сейчас их размеры достигли нескольких нанометров, что в сотни раз меньше красной кровяной клетки человека. И как бы ученые ни старались, с уменьшением размеров транзисторы все же начинают работать нестабильно, потребляют много энергии и перегреваются. А значит, возможности кремния достигли своего предела; разработка новых приложений или программ, способных сделать чью-то жизнь проще, невозможна; прогресс замедлился. Да и вектор развития современной электроники в целом направлен в сторону уменьшения потребления электроэнергии и снижения тепловыделения. А значит, необходимо искать другие материалы и способы увеличения мощности компьютеров.
Легким движением руки кремний превращается...
Как химический элемент кремний, или силиций, был открыт в 1824 году шведским ученым Йенсом Якобом Барцелиусом. Но фактически открыли его за 13 лет до этого французские химики Жозеф Луи Гей-Люссак и Луи Жак Тенар. В тот момент они просто этого даже не поняли. Выделить чистый кремний им удалось при нагревании двух соединений: фторида кремния и металлического калия. В результате реакции образовалось буро-коричневое вещество. Ученые не смогли сразу сделать вывод о его ценности. Зато в дальнейшем это открытие позволило человечеству сделать большой шаг вперед. Так, в 1971 году был изобретен первый в мире коммерчески доступный микропроцессор Intel 4004, который считается началом эпохи современных знакомых нам всем центральных процессоров.
Сегодня процедура преобразования песка в компьютерные процессоры состоит из множества этапов. В первую очередь из природного сырья извлекают кремний нужной чистоты. Для этого в песок добавляют углерод, а затем нагревают эту смесь примерно до 1800 °C. В результате получается «технический» кремний. Чтобы очистить состав от максимального количества примесей, его дополнительно обрабатывают хлором, и наконец получают чистый «электронный» кремний. А уже из него начинают выращивать кристалл. В кристаллах атомы и молекулы расположены в строгом порядке. Это удобно, поскольку человек может точно понять, как это вещество будет вести себя в разных условиях.
Чтобы вырастить большой кремниевый кристалл, очищенный кремний помещается в тигель, специальную емкость для плавления, и отправляется в печь. Там он нагревается до 1420 °C, после чего в него помещают «точку роста» — уже готовый тонкий кристалл кремния размером с карандаш. При остывании массы он запускает процесс ее кристаллизации, образуя один большой кристалл цилиндрической формы. Его вес может достигать сотни килограмм.
Кристалл нарезают на диски толщиной 1 мм и диаметром 300 мм. А затем шлифуют до идеальной гладкости. И начинается процесс «установки» транзисторов. Для этого на кремниевый диск наносят слой светочувствительного материала, который при попадании света способен изменять свои физико-химические свойства. Сверху устанавливают специальный фотошаблон из оптического стекла, чтобы свет попадал на диск только в определенных местах. Те места, которые освещать не нужно, закрываются фильтром. После чего диск освещают в течение какого-то времени. Освещенные области становятся способны проводить ток. Такая процедура на одном диске проводится несколько десятков раз, образуя слои схем транзисторов.
После обработки дисков их отправляют на испытания. Из тех дисков, с которыми все в порядке, вырезают маленькие процессоры. Каждый из них упаковывается на свою подложку и накрывается теплораспределительной крышкой. Последняя соединяет процессор с системами охлаждения. Они нужны потому, что протекание тока в процессоре влечет за собой выделение тепла. При перегреве процессор начинает работать нестабильно, а параллельно снижается и срок его службы.
На практике все эти процессы требуют немыслимых материальных вложений и человеческих ресурсов: изучение, проектирование, тестирование, автоматизация, строительство фабрик и их обеспечение. Покупая новенький телефон или ноутбук, мы даже не представляем, сколько работы за ним стоит.
Новый взгляд
Технологии превращения обычного песка в мощнейшие вычислительные машины на основе кремния совершенствовались десятилетиями. И несмотря на то, что поиск достойной альтернативы уже начался, времени это может занять немало. Поэтому специалисты Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» решили не списывать кремний со счетов так быстро. И разработали технологию создания новых материалов для электроники на основе кремния и функционального оксида. По мнению ученых, их подход позволит продолжать использовать существующую технологическую базу и в то же время обеспечить новые материалы недостающими кремнию свойствами.
В своей разработке ученые Курчатовского института делают упор на магнитные свойства новых материалов. Они будут актуальны при разработке устройств с низким потреблением энергии, в частности, в спинтронике. Это молодое, но перспективное направление электроники, которое использует магнитное состояние электронов (а не электрический ток) для кодирования и обработки данных, то есть позволяет создавать энергоэффективные устройства.
Сам по себе кремний не имеет магнитных свойств, он не подвергается влиянию магнитного поля. Но если добавить к кремнию вещество, обладающее такими свойствами, то может получиться материал, который не только обеспечит высокую вычислительную мощность, но и позволит снизить потребление энергии. Для этой цели специалисты Курчатовского института решили использовать функциональные оксиды.
Функциональные оксиды — это целый класс веществ, которые могут успешно работать в соединениях с кремнием. В этом проекте был использован оксид европия — соединение мягкого серебристо-белого металла европия и кислорода. Он был выбран из-за простой структуры и высокого уровня стабильности при контакте с кремнием.
Соединяли компоненты методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Он позволяет растить один кристаллический материал на подложке из другого кристаллического материала в условиях сверхвысокого вакуума, то есть в газовой среде с очень низкой плотностью газа, как в космосе. Благодаря сверхвысокому вакууму молекулы вещества оседают на подложку, практически не ударяясь о молекулы газа, падая по прямой. Это позволяет создавать структуры высокого уровня чистоты, однородности и с минимальным количеством дефектов.
Процесс молекулярно-лучевой эпитаксии происходит в специальной установке — системе вакуумных камер, насосов, молекулярных источников, манипуляторов и других не менее важных составляющих. Кремниевую подложку и оксид европия помещают в установку. Там подложка нагревается, в процессе очищаясь от грязи и защитного слоя естественного оксида. А оксид европия, нагреваясь в другой емкости, начинает испаряться и оседать на подложку. Постепенно он образует тонкую пленку. По окончании этого процесса материал покрывается тонким защитным слоем алюминия во избежание непосредственного контакта материалов с кислородом и утраты свойств.
Ключевое значение в процессе соединения двух компонентов, по словам ученых, имеет интерфейс — двумерная структура, которая формируется на границе между кремниевой подложкой и функциональным оксидом, поскольку именно в ней заключаются все уникальные свойства. Этот интерфейс универсален для всех подобных материалов, а значит данные о его строении и функциональных особенностях помогут создать множество новых структур.
На достигнутом ученые останавливаться не собираются и планируют расширять набор соединяемых по разработанной технологии материалов. Например, следующие в их списке промышленные полупроводники германий, арсенид и нитрид галлия.
