«Я не опасаюсь того, что рано или поздно наступит физический предел технологий — в далеком будущем мы начнем строить то, что хотим, из атомов. Здесь отрываются неисчерпаемые возможности», — сказал еще в 1959 г. Ричард Фейнман, американский физик, лауреат Нобелевской премии. Тогда в это трудно было поверить, но, похоже, что это предсказание начинает сбываться — наступившее столетие может стать веком нанотехнологий, оперирующих с молекулами и атомами (1 нанометр (нм) = 1 миллиардная часть метра).
В июне Intel объявила о создании в лабораторных условиях миниатюрных транзисторов, размер которых составляет 0,02 мк, или 20 нм. При этом они способны работать на частоте 1 ТГц (1 ТГц = 1000 ГГц). Компания планирует, что в 2005–2007 гг. 20-нанометровые транзисторы станут основой для создания процессоров с тактовой частотой 20 ГГц. На кристалле процессора может быть размещено от 400 млн. до 1 млрд. таких транзисторов, что в 20–25 раз больше, чем в современном процессоре Pentium 4.
В свою очередь AMD объявила о создании еще более миниатюрного транзистора с размером затвора 15 нм, который сможет работать на частоте 3 ТГц. Тем самым производители подтверждают действенность закона Гордона Мура, согласно которому число транзисторов в микросхемах каждые 12–18 месяцев возрастает двукратно.
Однако переход к малым по размерам элементам микросхем порождает проблемы. C уменьшением размеров и ростом числа транзисторов в микросхемах резко увеличиваются потери энергии, что приводит к перегреву кристаллов. Выпускаемые в настоящее время процессоры уже рассеивают немалое количество тепла: Pentium 4 с частотой 1,5 ГГц, содержащий 42 млн. транзисторов и произведенный по технологической норме 0,18 мк рассеивает 55 Вт, а AMD Athlon XP 1600+ выделяет 63 Вт.
«Если тенденции роста числа транзисторов и частоты процессоров сохранятся, то к 2005 г. процессор, подобный Pentium 4, будет содержать 425 млн. транзисторов, а к 2010 г. — 1,8 млрд. транзисторов. Даже при использовании технологических норм производства на уровне 100 нм первый процессор будет рассеивать 3–5 КВт, а второй будет выделять тепла столько же, сколько ядерный реактор», — заявил в феврале этого года на международной конференции по схемотехнике твердого тела Пат Гелсингер, вице-президент и директор по технологиям Intel. По его мнению, решение данной проблемы лежит в области создания более совершенных архитектур процессоров.
IBM, которая уже несколько лет занимается совершенствованием конструкции элементов микросхем и технологий их производства, предлагает несколько отличный подход к решению этой проблемы. Осенью компания выпустила серию процессоров PowerPC 750FX 1ГГц, при производстве которых впервые применен метод CMOS 9S, объединивший сразу три технологии: «медные соединения», «кремний-на-изоляторе» (silicon-on-insulator, SOI) и более совершенный изоляционный материал low-k dielectric. Этот метод позволил повысить на 30% производительность и уменьшить на 50% тепловыделение новых процессоров по сравнению с ранее выпускавшимися. Так, вариант процессора PowerPC 750FX 800 МГц выделяет всего 3,6 Вт, что делает возможным его использование даже в портативных ПК. С учетом того, что элементы новых транзисторов обладают размерами менее 100 нм, методы их производства перемещаются в область нанотехнологий.
Разработкам в области нанотехнологий для создания более эффективных микросхем уделяет повышенное внимание все большее число производителей процессоров и микросхем памяти. В декабре Toshiba заявила о том, что ей удалось создать более совершенный транзистор, применив оригинальную технологию «кремний-на-пустоте» (silicon-on-nothing, SON). По словам представителя компании, промышленное использование SON будет начато к 2005 г., когда Toshiba перейдет к производству микросхем с технологической нормой 50 нм.
В свою очередь, IBM анонсировала альтернативную конструкцию транзистора с «двойным затвором» (double-gate transistor), которая в течение ближайших лет станет в компании основой для производства новых типов процессоров. Транзистор новой конструкции обладает вдвое меньшими размерами по сравнению с традиционными (менее 100 нм), позволяя при этом вдвое увеличить тактовую частоту и значительно снизить потери энергии.
Другая проблема перехода к производству микросхем с нанометровыми элементами состоит в том, что традиционные фотолитографические машины принципиально не могут формировать на кристаллах объекты (транзисторы, проводники) размерами менее 100 нм — их оптические линзы непрозрачны для света сверхмалых длин волн. Производители видят решение проблемы в разработке принципиально нового оборудования для производства микросхем на основе литографического процесса следующего поколения с использованием ультрафиолетового излучения с очень малой длиной волны (extreme ultra violet — EUV). В 1997 г. в США был создан неофициальный консорциум Extreme Ultra Violet LLC, в который вошли AMD, Intel, Micron Technology, Motorola. Участники консорциума рассчитывают разработать технологию, которая позволит преодолеть несовершенство современного литографического процесса и приступить к изготовлению полупроводниковых микросхем с элементами 30–50 нм. Прототип первой EUV-установки для производства микросхем был представлен в апреле.
Разработки в различных областях нанотехнологий привели к тому, что у традиционной фотолитографии появились серьезные конкуренты — созданы технологические процессы, позволяющие формировать транзисторы микросхем в виде тонких пленок из органических углеродных соединений (organic thin-film transistor, OTFT). В отличие от многостадийного процесса формирования кристаллов микросхем на базе кремния производство транзисторов OTFT не требует многомиллионных затрат — сверхчистых помещений, высокого вакуума, дорогостоящих литографических машин.
В лабораториях используются методы создания кристаллов из OTFT на основе «микропечати» и «микротуннелирования» — элементы микросхем размером 30–50 нм формируются из молекул углеродистых соединений при комнатной температуре в обычных помещениях. При освоении таких технологий в промышленном производстве себестоимость микросхем на базе OTFT может понизиться до 1 цента и менее, что, естественно, привлекает внимание многих производителей.
В числе реальных претендентов на первенство в области производства микросхем на базе органических транзисторов выступают IBM, Hewlett-Packard, Lucent Technologies.
Так, научная лаборатория IBM в Цюрихе разрабатывает метод построения микросхем в виде «самоорганизующихся молекул углерода». Но если скептически настроенные разработчики IBM считают возможным коммерческое применение своих результатов не ранее 2020 г., то ученые HP уверены в том, что созданные ими гибридные кремниевые кристаллы смогут выйти на рынок в течение ближайших 10 лет. А группа ученых Bell Laboratories в ноябре объявила о завершении проекта по созданию нанотранзисторов на основе одиночных молекул органического соединения тиол — каждый такой транзистор создается путем осаждения молекул тиола из раствора. Реальность использования результатов проекта исследователи доказали, сформировав из пары нанотранзисторов стандартный инвертор, используемый для преобразования сигнала из 0 в 1 и наоборот.
Нанотехнологии открывают большие возможности при производстве не только микросхем, но и других устройств, например накопителей на магнитных дисках, в производстве которых наблюдается тенденция, схожая с закономерностью, открытой Муром для процессоров. За последние 10 лет плотность записи на магнитных дисках увеличивалась в среднем на 60% в год, т. е. на порядок за пять лет. К 2000 г. среднее значение плотности записи в НЖМД составило 10 Гбит/дюйм2.
При сохранении этой тенденции уже в 2002 г. производители подойдут вплотную к парамагнитному пределу плотности записи информации на магнитные диски. Одним из путей преодоления парамагнитного предела является применение новых более эффективных материалов и их сочетаний.
В мае IBM анонсировала выпуск первой серии НЖМД Travelstar для портативных ПК, в которых использовала технологию pixie dust («пыльца эльфов»). В ее основе лежит нанесение на магнитную поверхность диска слоя рутения толщиной несколько десятков нанометров. В результате образуется композиция магнитных и антиферромагнитных материалов (antiferromagnetically-coupled, AFC).
В серийно производимых накопителях Travelstar применение технологии AFC позволило увеличить плотность записи данных до 25,7 Гбит/дюйм2. В течение года компания планирует нарастить плотность записи на AFC-носители еще на 30%, а к 2003 г. довести ее до 100 Гбит/дюйм2. Это позволит увеличить емкость НЖМД в настольных ПК до 400 Гбайт, а емкость миниатюрных накопителей IBM Microdrivе возрастет до 6 Гбайт.
Однако в планы IBM активно вмешиваются конкуренты — в конце ноября компания Seagate Technology объявила, что ее инженерам впервые удалось преодолеть барьер плотности записи данных 100 Гбит/дюйм2, используя ту же технологию многослойных AFC-дисков.
Параллельно ведутся разработки методов повышения плотности записи на немагнитные носители. Так, пять лет назад IBM начала проект Millipede, в рамках которого отрабатывается технология Atomic Force Microscopy (AFM) записи/чтения битов цифровых данных путем нанесения микроскопических выемок размером до 10 нм на поверхность пластикового материала. Компания считает, что в ближайшие годы возможно создание AFM-накопителей с плотностью записи до 400 Гбит/дюйм2 и выше.
Еще одной областью развития нанотехнологий стали разработки новых систем отображения информации, использующих органические светоизлучающие диоды (organic light-emitting devices, OLED). Каждый такой диод состоит из заключенной между двумя электродами пленки электролюминесцентного материала толщиной несколько десятков нанометров, способной излучать свет определенной длины волны. Из OLED-диодов можно сформировать матрицу в виде плоского экрана, который более экономичен, обладает более высокой частотой обновления изображения и яркостью, чем ставшие привычными активноматричные ЖК-дисплеи. Изображение на экране из OLED-диодов видно даже при ярком солнечном свете.
Первые разработки по созданию дисплеев на базе OLED-диодов были осуществлены Kodak в конце 70-х годов, и в настоящее время их состояние таково, что это направление нанотехнологий наиболее близко к массовому промышленному освоению. Сейчас дисплеи на базе OLED-диодов встраиваются в мобильные телефоны и автомобильные приемники. Причем формировать такие матрицы из OLED-диодов можно даже на пластиковых пленках, что значительно дешевле и проще производства ЖК-панелей. Дальнейшее совершенствование технологии позволит выпускать для настольных и мобильных ПК, игровых приставок и даже для телевизоров гибкие тонкие экраны, которые можно сворачивать в трубку или вешать на стену. Производители ЖК-дисплеев — Sharp, Sony и Toshiba — инвестировали к настоящему времени уже более 1 млрд. долл. в развитие технологий OLED, обеспечив себе временное технологическое преимущество в этой области нанотехнологий.
Основные сложности, которые возникают на пути производства новых типов экранов, заключаются в комплексном характере разработок — необходимости использования результатов исследований в области химии, биологии, проектирования микросхем и тесной связи со многими производителями специального оборудования. Чтобы успешно и вовремя преодолеть эти трудности, некоторые компании, в частности Philips Electronics, Pioneer, Ritek, Samsung, активно закупают лицензии и объединяются в промышленные альянсы, что позволяет им получить права на технологии OLED и приступить к освоению промышленного производства экранов нового типа.
