В журнале Nano Letters появилась очередная статья, посвященная графену. Группа американских физиков из университета Калифорнии (впрочем, фамилии у всех авторов китайские) описывает перспективный способ получения графеновых транзисторов, работающих на частоте в десятки раз больше частоты современных процессоров.
Частота процессора показывает предельное количество операций, совершаемых устройством. К примеру, на столе автора этой заметки сейчас стоит три компьютера: собранный для ресурсоемких задач настольный компьютер, менее мощная настольная машина для Интернета и фильмов и ноутбук - и частоты их процессоров равны 3, 2,2 и 1,6 ГГц. Чем выше частота, тем быстрее будет работать компьютер - но из-за физических ограничений в последние годы рост производительности достигается уже не более быстрым переключением транзисторов, а увеличением их количества и совершенствованием архитектуры. Пять гигагерц у одного из специализированных процессоров IBM - вот современный предел, и вряд ли персональные компьютеры превзойдут его в ближайшие годы.
Воплощенные в кремнии схемы слишком сильно греются на высоких частотах, и для прорыва к, например, 10- или 20-гигагерцевым отметкам нужен иной материал. И еще новые технологии, позволяющие из этого материала производить сотни миллионов транзисторов на одном чипе с идеальной точностью, да еще и за мало-мальски приемлемые деньги.
В качестве прорывного материала после пионерских работ прошлогодних лауреатов Нобелевской премии Андрея Гейма и Константина Новоселова стали рассматривать графен. Плоский (всего один атом в толщину!) лист из атомов углерода не только обладает полупроводниковыми свойствами, но и гораздо более эффективно, с меньшими затратами энергии позволяет перемещать электроны. Теоретически это может легко обеспечить необходимые технологам высокие частоты, но проблема в том, что теория не тождественна практике.
Мало того, что лабораторный прототип, собранный едва ли не вручную под микроскопом, может оказаться непригодным для промышленного применения, так еще и само понятие "частоты" весьма неоднозначно! Группа исследователей из Калифорнийского университета в аннотации своей статьи прямо пишет, что их детище по абсолютным цифрам (50 ГГц) проигрывает ранее заявленным образцам, которые могли работать на отметках в сотни гигагерц, но зато это "честные" гигагерцы. То есть речь идет не о частоте переменного тока, который еще можно пропустить через схему с таким транзистором, а о частоте, при которой эта схема будет корректно работать, - между этими двумя понятиями разница довольно существенная. Если проводить аналогию - есть скорость, которую развивает велосипедист на буксире, и скорость, которую спортсмен разовьет своими силами; для реальной жизни интересна, конечно, вторая величина.
В русскоязычной литературе эти частоты тоже обозначают по-разному: есть граничная частота, а есть рабочая. Последняя легко может оказаться в разы меньше, что хорошо видно и на примере калифорнийских физиков. В своей прошлой статье они сообщали о достижении рубежа в 300 ГГц граничной частоты на графеновом транзисторе (опубликована, кстати, в престижнейшем Nature), а сейчас аналогичные транзисторы показали рабочую частоту до 50 ГГц. Рротиворечия тут нет, а есть измерение разных величин с разным смыслом.
Ученые смогли на стеклянной подложке вырастить ряды транзисторов, которые ко всему прочему еще и сами располагаются аккуратными рядами за счет так называемого эффекта самосборки. Самосборка различных наноструктур является фундаментальным явлением, позволяющим сравнительно просто получать не просто мешанину молекул, а упорядоченные структуры: физики не перемещают под микроскопом листочки графена в нужное место, а графен сам вырастает там, где требуется. Рост графена между нанопроволоками на основе соединений кобальта и кремния в будущем, возможно, сменит какой-то другой процесс, но, судя по всему, первые промышленные процессоры на графеновой основе будут построены именно самосборкой.
Вопросы и ответы:
- А когда ждать первые графеновые процессоры на прилавках?
- Пока на этот вопрос точного ответа не даст никто. В исследовании на тему коммерциализации графена пока подобных устройств не упоминается. Графен надо научиться получать в больших количествах, освоить с ним ряд операций (в процессоре компьютера миллиарды контактов, каждый из которых должен быть абсолютно надежен), от отдельных транзисторов еще предстоит очень и очень долгий путь. Может быть, от десяти лет и больше. Кроме того, не стоит забывать о развитии микроэлектроники в иных направлениях: например, создаются схемы, для работы которых важен не только заряд электронов, но и ориентация спина, сугубо квантовая характеристика.
- То есть пока что от графена толку мало?
- Нет. Даже простые листочки графена оказались идеальными "предметными стеклами" для биологов, изучающих разные мелкие объекты под электронным микроскопом. Еще из графена можно делать прозрачные электроды (в том числе для гибких дисплеев). Ведутся работы по применению графена в солнечных батареях, для обнаружения единичных молекул газа (это всевозможные детекторы утечек и анализаторы), и, по предварительным данным, на его основе можно будет делать антибактериальные материалы.
- В заметке написано, что тактовая частота процессора выражает его быстродействие. Почему тогда два процессора с разной частотой дают разные результаты в тестах, имеют разную стоимость и используются в разных задачах?
- В заметке есть и уточнение: тактовая частота выражает прежде всего скорость работы одного транзистора. Если один рабочий может за день сделать 10 деталей, то не факт, что весь завод с такими работниками будет давать больше продукции, чем соседнее предприятие, сотрудники которого освоили только 8 изделий в день. Разное число рабочих (транзисторов), разная организация работы (архитектура процессора), разная скорость доставки комплектующих со склада (скорость обращения к памяти) - все это также влияет на итоговые показатели.