Новый метод проектирования и изготовления компьютерных чипов может значительно ускорить обработку информации, по крайней мере, сделать её в тысячу раз быстрее, чем это могут лучшие из существующих чипов, говорят исследователи.
Новый метод, основанный на использовании материала, называемого углеродной нанотрубкой, позволяет учёным делать чип в трех измерениях.
3D-дизайн даёт возможность вмещать память, которая хранит данные, и процессоры в том же самом крошечном пространстве, говорит один из разработчиков новых чипов докторант в области электротехники в Стэнфордском университете Макс Шулакер.
Уменьшение расстояния между двумя элементами может резко сократить время, необходимое компьютеру для выполнения своей работы, заявил учёный на форуме технологий, проходившем в начале сентября под эгидой агентства передовых оборонных исследований DARPA.
В соответствии с законом Мура, число транзисторов на конкретном кремниевом чипе удваивается каждые два года. Этот закон работает: транзисторы становятся всё миниатюрней, с крохотными элементами размером всего 5 нанометров, а самый маленький функциональный элемент имеет размеры 7 нанометров. (Для сравнения, в среднем ширина человеческого волоса составляет около 100 тысяч нанометров.)
Однако, сокращение размеров означает, что квантовый эффект частиц при таких масштабах может нарушить нормальное функционирование. Таким образом, вполне вероятно, что закон Мура перестанет работать в течение ближайших 10 лет, считают эксперты. Кроме того, уменьшение размеров транзисторов до определённого предела не позволит реализовать многое из того, что может сделать компьютеры быстрее.
Чтобы обойти эту проблему, Шулакер и его помощники в Стэнфордском университете Субхасиш Митра и Филипп Вонг прибегли к использованию совершенно нового материала — углеродных нанотрубок или крохотные сетчатых стержней из атомов углерода, которые можно обрабатывать при низких температурах. Углеродные нанотрубки (УНТ) имеют электрические свойства аналогичные обычным кремниевым транзисторам.
В прямой конкуренции между кремниевыми транзисторами и транзисторами на УНТ «победит УНТ», считает Шулакер, заявив: «Такие транзисторы будут лучше и быстрее, и с меньшим потреблением энергии».
Тем не менее, по словам Шулакера, углеродные нанотрубки растут крайне беспорядочным образом, «напоминая тарелку со спагетти», что никуда не годится для изготовления схем. Поэтому исследователи разработали метод выращивания нанотрубок в узких канавках, служащих направляющими для их формирования требуемым образом.
В 2013 году команда построила компьютер на УНТ, о котором была опубликована статья в журнале Nature. Однако, этот компьютер был очень медленным и громоздким, с относительно небольшим количеством транзисторов.
Теперь они создали систему для укладки памяти и транзисторных слоёв, с крошечными проводами для их подключения между собой. Новый 3D-дизайн сократил время прохождения в цепи между транзистором и памятью, и в результате архитектура способна производить молниеносные вычисления — в тысячи раз быстрее, чем это было возможно, сказал Шулакер. Учёные изготовили с использованием новой архитектуры множество сенсорных пластин, способных обнаруживать всё — от инфракрасного света до определённых химических веществ в окружающей среде.
Следующим шагом является дальнейшее масштабирование системы, чтобы сделать большее количество уже более сложных чипов.