Микрочипы тоньше волоса: IBM переписала законы физики

Долгое время индустрия микроэлектроники упиралась в стену кремниевых ограничений, когда каждый новый техпроцесс давался всё дороже и сложнее. Но инженеры из IBM, похоже, нашли лазейку. Вместо того чтобы просто уменьшать существующие структуры, они применили многослойное расположение транзисторов, используя углеродные нанотрубки в качестве каналов для передачи сигналов. Это позволило не только сократить физические размеры, но и кардинально снизить энергопотребление при одновременном увеличении скорости переключения. На практике это означает, что процессор с таким техпроцессом сможет вместить в 50 миллиардов транзисторов на площади, сопоставимой с ногтем большого пальца. Для сравнения, самые плотные современные чипы — это примерно 10-15 миллиардов на ту же площадь. Разница не просто в цифрах, а в том, что при таком масштабе квантовые эффекты начинают играть на руку инженерам, а не вредить им. Обычно при уменьшении элементов до 5 нанометров электроны начинают «прыгать» через барьеры, вызывая утечки, но новая архитектура решает эту проблему на физическом уровне.

Однако это не значит, что завтра каждый сможет купить смартфон с таким чипом. Переход от лабораторного прототипа до массового производства — это путь длиной минимум в пять лет. Основные сложности связаны не с самим дизайном, а с методами литографии. Существующие производственные линии, работающие на глубоком ультрафиолете, неспособны вырезать структуры в один нанометр. Потребуется либо экстремальный ультрафиолет нового поколения, либо вообще другие технологии, например, электронно-лучевая литография, которая сейчас слишком медленная для создания миллионов транзисторов. Ещё один вызов — это тепловыделение. При такой колоссальной плотности элементов даже микроскопический дефект изоляции может привести к локальному перегреву и выходу из строя всего кристалла. IBM уже заявляет, что разработала специальную систему теплоотвода, встроенную прямо в подложку, но стабильность таких решений в бытовых условиях пока не проверена. Интересно, что этот прорыв может сделать бессмысленным гонку за тактовыми частотами: энергоэффективность 1-нм чипов настолько высока, что они смогут работать на сверхнизком напряжении, выполняя те же задачи, что и современные серверы, но с потреблением на уровне лампочки. Это открывает дорогу не только для более мощных ноутбуков, но и для носимой электроники, которая сейчас сильно ограничена и размером батареи, и тепловыделением. Речь не только о часах или кольцах: медицинские имплантаты, работающие годами без замены, умные метки для логистики или датчики в зданиях — всё это станет реальным именно благодаря плотности и низкому энергопотреблению. Очевидно, что в ближайшие годы архитектура процессоров начнёт меняться ещё быстрее, а сами устройства станут незаметными, встроенными в окружающие поверхности, потому что для их питания хватит окружающего шума и света.