Графен - будущее электроники
Быстродействие транзисторов в компьютерных процессорах, по мере уменьшения их физических размеров, растет, но увеличение скорости переключения транзисторов приводит к большому тепловыделению. Растет многоядерность процессоров, но предел частоты в 4.4 ГГц уже не преодолеть со старыми полупроводниковыми технологиями. Частоту можно кратковременно разогнать, но это не решение проблемы. Это по сути топтание на одном месте и ставит развитие кремневой электротехники в тупик, хотя полупроводники будут использоваться еще не один десяток лет.
Общеизвестно, что на 2018 год самым высокопроизводительным процессором является IntelCore i9-7980XE. Данный процессор семейства Intel Skylake-X создан по 14-нанометровойструктуре, имеет 18 ядер (36 потоков) и тактовую частоту 2.6 ГГц (в режиме TurboBoost 4.4 ГГЦ).
Рис. 1. Процессор Intel Corei9
Современные транзисторы, как продемонстрировано на рисунке
2, существуют в разных вариациях - от огромных усилителей большой мощности размером с кулак до миниатюрных переключателей на кристалле процессора размером в десяток нанометров. Можно выделить две основные функции этого прибора в электрической цепи -- это усиление и переключение.
Рис. 2. Транзисторы
Мозгом сегодняшней электроники является процессор, представляющий из себя огромное множество транзисторов. С помощью процессора обрабатывается вся необходимая при помощи нулей и единиц соответственно. Последовательностями и наборами нулей и единиц, вырабатываемых множеством транзисторов, можно представлять буквы, числа, цвета и графические объекты.
Рис. 3. Работа транзисторов в процессоре
Еще в начале 60-х один из основателей компании Intel Гордон Мур сформулировал так называемый «Закон Мура». Звучит он так:
«Каждые 24 месяца количество транзисторов, размещенных на кристалле интегральной схемы, удваивается» Иными словами необходимо увеличение количества переключений, но у всего есть свой предел. Так и для процессора количество транзисторов не бесконечно.
Пальма Первенства в решение проблемы лежит в открытии в 2004 году русскими учёными Андреем Геймом и Константином Новоселовым из Манчестерского университета графена. На нынешнем этапе времени открытие Новосёлова и Гейма является самым перспективным, в связи с предложением новейшего материала взамен зашедших в тупик кремниевых технологий. Будущее этого открытия сулит нам использование полупроводников с чрезвычайно высокой рабочей тактовой частотой.
Графен является формой углерода, которая подобна сотовой кристаллической решетке толщиной всего в один атом, обладающей высокой механической жесткостью и рекордно высокой теплопроводностью, а также, что немаловажно высокой подвижностью носителей заряда. Структура графена указана на рисунке 4.
Рис. 4. Гексагональная решетка графена
углерод процессор механический
У графена потрясающая электропроводимость. Батарея, которую создали ученые из Испании, имеет энергоемкость в сотни раз выше, чем у существующих батарей. Электромобиль с графеновым аккумулятором может проехать порядка тысячи километров без остановки. Зарядка электромобиля при полной разрядке аккумулятора займет не более 10-15 минут.
Разработчики находятся на пороге революционных открытий - они уже представили прототип нового запоминающего устройства, состоящего всего из одного слоя графена. Исследователи утверждают, что в новых экспериментальных модулях базовые ячейки хранения данных примерно в 40 раз меньше, чем ячейки, используемые в самых современных памяти. Структура данной технологии представлена на рисунке 5 и обладает потенциалом многократного увеличения емкости модулей памяти.Для кодирования 1 бита информации в графеновых модулях требуется в миллион раз меньше энергии, чем для кодирования того же бита в кремниевых чипах.
Рис. 5. Флэш-память графена
Разрабатываются и недорогие дисплеи для портативных устройств. Графен можно использовать вместо привычных материалов в электродах для дисплеев технологии OLED, как указано в рисунке 6. Во-первых, это позволяет снизить стоимость дисплея, а во-вторых, упрощает его утилизацию за счет исключения использования металлических элементов. Кроме того, графен пропускает до 98% света, а это значительно выше, чем передача лучших материалов современных дисплеев.
Рис. 6. Структура графенового OLED-дисплея.
Рис. 7.Дисплей с использованием графена
В конечном итоге мы можем уверенно полагать, что на настоящий момент времени графеновые разработки, начало которым положено нашими учёными - соотечественниками Геймом и Новосёловым, обладают огромным потенциалом в развитии электроники и в ближайшем будущем будут являться полноправными заменителями кремниевых транзисторов во всех сферах их сегодняшнего применения. Сразу углеродные материалы не смогут заменить кремний в микроэлектронике в виду своей стоимости производства, но создание гибридных микросхем, в которых используются преимущества обоих материалов даст толчок к развитию электроники, а также энергетики, медицины и других сфер деятельности человека.
Список литературы
1.К. С. Новосёлов, Графен: материалы Флатландии -- УФН., 2011. -- Т. 181. -- С. 1299--1311
2.А. К. Гейм, Случайные блуждания: непредсказуемый путь к графену -- УФН. -- 2011. -- Т. 181. -- С. 1284--1298
3.А. Г. Алексеенко., Графен -- Лаборатория знаний, 2017. С. 179
4.Губин С. П., Ткачев С.В. Графен и родственные наноформы углерода - Либроком, 2012, С. 104.
5.А. К. Гейм, К. С. Новоселов, The rise of graphene , Nature Materials 6, 2007. URL: https://www.nature.com/articles/nmat1849