Ето как настъпва златната ера в микроелектрониката

Изминалата година убедително доказа, че микроелектрониката е ключов сектор в световната индустрия. В него се вливат милиарди инвестиции (160 млрд. долара през 2022 г.) и е привлечено вниманието на големите държави, които разбират важността на проблема.

Това внимание дава основание да наречем този момент „златна ера в микроелектрониката“ (golden era in microelectronics). Никога досега индустрията не е била на такава почит от човечеството. Потребителите, предприятията и учените са облагодетелствани, като се радват на щедро финансиране на научните изследвания.

Ето някои от най-вълнуващите постижения в областта на науката и технологиите през втората половина на 2023 г.

Най-бързият полупроводник

Учени от Колумбийския университет в САЩ създадоха свръхбърз полупроводник. Времето за обработка на данните в него се изчислява във фемтосекунди, което е милион пъти по-бързо от съвременната гигахерцова електроника.

По принцип ограниченията в скоростта на силициевите чипове се дължат на трептенията на атомите, които в твърдите материали се движат като квазичастици, известни като фонони. За съжаление тези фонони разсейват както електроните, така и екситоните (носителите на информация в чипа).

Така че един нов полупроводник, направен от рений, селен и хлор, решава проблема с разсейването на екситоните. Атомите на Re6Se8Cl2 образуват клъстери (суператоми), всеки от които се държи като един голям атом. Само че има свойства, различни от тези на оригиналните елементи. В един клъстер шест атома рений се намират във вътрешността на куб от осем атома селен, като отгоре и отдолу има по един атом хлор.

Като цяло, когато екситоните влязат в контакт с фононите на Re6Se8Cl2, вместо да се разпръснат, те се свързват и образуват нови квазичастици, т.нар. акустични екситон-поляритони (вижте видеото и анимациите на този процес).

Това е първият в света и дори в историята материал, в който е установено стабилно движение на екситони при стайна температура.

Електроните в полупроводниците обикновено се разсейват след няколко нанометра, а времето им на живот се измерва във фемтосекунди. За разлика от тях акустичните възбудители-поляритоните в Re6Se8Cl2 успешно изминават няколко микрометра (три порядъка по-далеч) за една наносекунда (шест порядъка по-дълго), а скоростта им е два пъти по-голяма от тази на електроните в силиций. Тъй като поляритоните могат да съществуват за около 11 ns, поляритоните на акустичния екситон могат да изминат повече от 25 микрометра, преди да се разсеят, смятат учените. Това по същество е фотонно устройство, в което скоростта на обработка се измерва във фемтосекунди.

Любопитно е, че свръхбързият полупроводник е открит случайно по време на тестове на лабораторен микроскоп.

Конфигурация на системата за записване на движението на квазичастиците с фемтосекундна разделителна способност. В горната част е stroboSCAT, а в долната – записващото устройство STR (spacetime transient reflection)

Първоначално учените не са и предполагали, че Re6Se8Cl2 ще има такива феноменални свойства.

Заедно с графита и хексагоналния боров нитрид той е материал на Ван дер Ваалс. Тези материали се състоят от подредени филми от гладки, атомно тънки слоеве. Те се държат заедно от слаби електрически сили, известни като ван дер Ваалсови взаимодействия. Често се оказва, че такива материали имат някакви хибридни непредсказуеми свойства.

Ако говорим за масово производство, основният проблем е, че новият полупроводник включва изключително редкия елемент рений. Въпреки това все още има възможност за приложение в електрониката. Този материал вече се използва в промишлеността (в метални сплави). Например добивът му в САЩ е около 8000 кг, а цената му е около 10 долара за грам, което е съвсем рентабилно за съвременните процесори.

Резултатите от проучването са публикувани на 27-ми октомври 2023 г. в списание Science.

Новата перовскитна слънчева клетка

Друго забележително откритие са инвертираните перовскитни соларни клетки, които за първи път надхвърлиха бариерата от 25% ефективност за преобразуване на слънчевата енергия в електричество. И тук иновацията се крие в химията на материалите.

Икономическите показатели на слънчевия панел са единственият основен фактор, който има значение днес. Това означава, че една нова клетка трябва да произвежда повече обща електроенергия от определена площ през целия си живот, в сравнение с разходите за нейното производство. Така че подобряването на ефективността е важно, като в много страни слънчевите панели вече си възвръщат инвестициите дори при индивидуална употреба.

Изобретението представлява добавяне на две молекули към слънчевата клетка, за да се намалят загубите при преобразуване. Първата молекула решава проблема с повърхностната рекомбинация, при която електроните се губят, като се улавят в дефектите (липсващи атоми на повърхността). Втората молекула PDAI2 (пропан-1,3-диамониев йодид) решава проблема с рекомбинацията на границата между слоевете (интерфейса). В резултат на това ефективността на клетката значително се увеличава.

В резултат на това сертифицираната от Националната лаборатория за възобновяема енергия (NREL) ефективност на перовскитната слънчева клетка е 25,1%, докато предишният рекорд е бил само 24,09 %. Изследването е публикувано на 16-ти ноември 2023 г. в списание Science.

Традиционните слънчеви клетки са изработени от силициеви пластини с висока чистота, които могат да абсорбират само определен диапазон от спектъра. Размерът и съставът на перовскитните материали могат да се променят, за да се „настроят“ дължините на вълните на поглъщаната светлина. Перовскитният филм е потенциално по-евтина и по-ефективна технология.

Ако се съди по темповете на развитие, слънчевата енергия е бъдещето на човечеството. Теоретично един сравнително малък обект в Сахара би могъл да захранва цяла Европа.

Само че ще трябва да се прокарат кабели от свръхпроводници или да се преобразува енергията в нещо преносимо, например в течен водород. Във всеки случай сега проектите като Desertec не изглеждат твърде фантастични.

UltraRAM: новият тип памет, който ще замени DRAM и NAND

Преди време споменахме съвсем накратко за новия революционен материал UltraRAM от QuInAs, който съчетава свойствата на оперативната и постоянната памет. По същество това е DRAM, запазваща състоянието си, т.е. постоянна памет, която без захранване запазва състоянието си в продължение на повече от хиляда години, а когато е под напрежение, работи като бърза RAM памет, издържайки поне 10 милиона цикъла на презапис (повече все още не са тествани). Проектът получи наградата за най-иновативен стартъп в областта на флаш паметта за 2023 г.

Теоретичната основа на UltraRAM е представена в научен труд на автори от университета в Ланкастър (Великобритания) през януари 2022 г. През септември 2023 г. е изработен първият прототип и е закупено оборудване за изработване на по-съвършен 20 nm прототип, за да се потвърди производителността на чипа.

Преминаването към постоянна памет означава фундаментална промяна в парадигмата на програмирането, като се изоставя концепцията за „файлове“, „буфер“ и т.н. Въпреки че ще трябва да се пренапише много софтуер, самите компютри ще станат по-опростени и много много по-ефективни.

Това са само някои от най-интересните скорошни разработки в областта на микроелектрониката. Не, с тези темпове законът на Мур няма да бъде погребан, както някой предполагаше преди няколко години. Напротив, напредъкът в развитието на микроелектрониката сега е особено бърз. Вече сме на прага на една съвсем нова ера в микроелектрониката.