Владимир Попов о транзисторах с несколькими атомами примеси

АрхивИнтерактив

С "Компьютеррой" беседует доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией физических основ материаловедения кремния Института физики полупроводников СО РАН Владимир Попов.

Если говорить о мире высоких технологий, то очевидно, что сегодня человек как никогда близок к порогу, за которым кончается "микро" и начинается "нано": квантовые эффекты всё смелее и смелее внедряются в электронные устройства. Возможно, ещё чуть-чуть, и в рассказе об эволюции транзисторов можно будет смело ставить "квантовую точку". Ведь транзистор, содержащий всего один атом примеси, уже существует, правда пока, по некоторым оценкам, он не столь хорош функционально, как подобное ему устройство, содержащее семь примесных атомов фосфора в наноостровке (квантовой точке).

В майском номере Nature Nanotechnology Letters группа учёных (Martin Fuechsle et al.) из Австралии и США опубликовала статью Spectroscopy of few-electron single-crystal silicon quantum dots, в которой авторы рассказывают о новом классе транзисторов на основе кремния, в котором лишь семь атомов фосфора в островке 3х4 нм².

"Компьютерра" уже отмечала, что подобные разработки свидетельствуют о том, что высокотехнологическое будущее не за горами.

Подробно разъяснить достижение своих австралийских коллег и рассказать о транзисторах с несколькими атомами примеси согласился доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией физических основ материаловедения кремния Института физики полупроводников СО РАН Владимир Попов.

Владимир Попов

- Владимир Павлович, как устроен обычный "макроскопический" транзистор?

- Транзистор - это управляемый полупроводниковый триод, который позволяет слабым низковольтным сигналом контролировать довольно большие токи. До него был электровакуумный прибор, который был сделан более чем сто лет назад и работал сначала в режиме токов, ограниченных инжекцией электронов из катода.

История изобретения полевого транзистора как основы сегодняшней информационной технологии также довольно давняя и тесно переплетена с электронными лампами. Интересно, что эволюция транзисторов идет в обратном направлении: от длинного канала, где ток ограничен пространственным зарядом, к короткому, где ток ограничен инжекцией. Первый патент на полевой транзистор датирован 1928 годом, его получил Лилиенфельд из США.

На самом деле он почти наш соотечественник, уроженец Львова, еврей, сначала он окончил университет в Вене, затем попал в Германию, работал в Берлине, и когда начались фашистские погромы, в 1926 году эмигрировал в США. Там ему предложили заняться твердотельной тематикой, а до этого он как раз работал с электровакуумными рентгеновскими трубками, и ему пришла мысль перенести свой опыт в твёрдое тело. Но, к сожалению, несмотря на то, что патент оказался вполне успешным (в смысле признания), его устройство вряд ли было сделано из-за неумения пассивировать поверхность полупроводников. Еще есть тонкоплёночные транзисторы.

Их изобрели тоже в Германии, в Гётенгене. Британский патент получил Оскар Хайл (Oscar Heil) в 1935 году. У него была русская жена Агнесса Арсеньева (Agnesa Arsenjewa), физик из Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе, они вместе известны как изобретатели клистрона, сверхвысокочастотного электровакуумного прибора.

Эволюция электровакуумных триодов и МОП-транзисторов. R. Dutton in PhD of Reza Navid, 2005

Реализован, разумеется, был транзистор на кремнии. Приоритет изобретения отдан ровно 50 лет назад американцам - Дэвону Кангу и Мартину Аттале (Dawon Kahng and Martin M. (John) Atalla), хотя справедливости ради нужно упомянуть заявку на изобретение, посланную в конце 50-х годов молодым советским исследователем Раулем Нахмансоном из НИИ "Пульсар" (Москва), работавшим позднее в нашем Институте физики полупроводников СО АН. К сожалению, эксперт Союзпатента перепутал транзистор с диодом и заявку отверг, похоронив приоритет амбициозного учёного.

Почему полевой транзистор именно кремниевый? Потому что у него совершенная граница с диэлектриком, и низкая плотность электронных состояний на уровне Ферми, а значит, можно менять проводимость, прикладывая к поверхности диэлектрика электрический потенциал. Полевой транзистор сейчас - это артефакт, который сделан в наибольшем количестве экземпляров.

На каждого человека на Земле приходится 10¹⁰ транзисторов, это 10 миллиардов. Гвоздей за всю историю сделано меньше. Мы можем гордиться тем, что это самый массовый продукт. Размеры транзистора постоянно уменьшаются, и есть физические законы, которые позволяли это делать вплоть до последних 10 лет. А в последние 10 лет они работают сравнительно плохо, потому что разработчики дошли до физических пределов. И это сопряжено с очень серьёзными проблемами.

Технология использования отдельных атомов и молекул в электронике развивается уже давно. Последние публикации научного центра IBM в Цюрихе, например, демонстрируют изображения атомов, составляющих бензольное кольцо. Они легко наблюдаются в сканирующем туннельном микроскопе. Использовать эту технологию можно не только для того, чтобы наблюдать структуры, но также и чтобы создавать их.

Надо сказать, что эта группа учёных не была первой, потому что туннельной технологией пользуются давно, и было очень много споров по поводу того, как могут работать такие одномолекулярные транзисторы с ограниченным количеством атомов. Сначала были теоретические работы, а в 2009-2010 гг. появились и практические.

Но в подобных разработках, как правило, используются уникальные структуры, например, графен. Это моноатомный лист графита, то, что остается в следе карандаша. Если, например, провести линию на бумаге, она будет состоять из стопок графеновых чешуек. Из каждой чешуйки можно сделать транзистор. Но объединить это с существующей кремниевой технологией достаточно сложно, потому что это углерод, а значит, это другие технологические процессы, другая химия. И поскольку много усилий уже вложено в кремниевую технологию, все стараются придумать что-то аналогичное для кремния.

И опыт показывает, что пока ничего лучше кремния нет. Кремниевый транзистор с нанометровыми размерами работает почти с такой же скоростью, как транзистор на полупроводниковых соединениях, стоимость производства которых существенно выше.

- Что Вы думаете про работу австралийской группы? Какова её ценность?

- Статьи, опубликованные в Nature, отличаются тем, что гарантированно проходят хорошую научную экспертизу, и можно не беспокоиться о достоверности описанных научных результатов. Публикация, о которой идёт речь, не является прорывной, физика здесь достаточно известна и понятна. Поэтому приоритеты, о которых ученые заявляют в этой статье, довольно скромны. Они сообщают, что создали и проинспектировали новый класс устройств на основе кремния, и последнее они считают своим самым главным достижением.

Что касается комментариев в прессе с сенсационными заголовками, то ситуация здесь простая. Исследователи всегда стараются привлечь к своей работе внимание, в том числе и в масс-медиа, чтобы инвестор тоже прочитал, и решил, что надо поддержать эти разработки.

Как правило, сами учёные делают это аккуратно и грамотно. И эта статья написана ясным научным языком, в ней нет никаких журналистских выдумок и сенсационного заголовка, а фантазии и неточности появляются тогда, когда журналист или инноватор пытается сделать так, чтобы тема была интересна всем, а не только узким специалистам.

Схема транзистора группы Мартина Фюксле Martin Fuechsleet al., Nature Nanotechnology5, 502 -505 (2010)

- На каком принципе основана работа такого транзистора?

- Транзистор Мартина Фюхсле с соавторами, о котором вы спрашиваете, устроен примерно так же, как и с одним атомом примеси. В их приборе, представленном на рис.1, есть исток, сток, между ними два затвора и атомы примеси.

Изображение получено с помощью сканирующего туннельного (атомно-силового) микроскопа. Также в нём видны "ступеньки" - это атомные террасы на поверхности кремния. Они сначала покрыли поверхность водородом, он делает ее непроводящей, потом удалили его с помощью зонда в нужных местах, затем напустили газ, фосфин (соединение водорода с фосфором).

Фосфин очень активен, он взаимодействует с оборванными связями, и там, где он особенно активен, естественно, образуются проводящие дорожки. В середине сделан маленький "островок" с небольшим количеством атомов фосфора. Затем устройство отжигается при температуре 250 градусов Цельсия. Это самый критический шаг, потому что во время отжига картинка плывет, атомы начинают перескакивать из одного положения в другое, и она размывается.

Это главная проблема: сохранить, несмотря на размытие картинки, работающую структуру. Но они успешно нашли режим, в котором исходная структура не сильно размывается. Они сделали ещё один контакт, электрический, но уже с помощью алюминия и с защитным слоем кремния сверху. То есть, по сути, они зарастили кремнием эти слои с фосфором, и после у них получился готовый наноприбор, который можно исследовать.

Измерения проводятся при температуре 20 мК (температура жидкого гелия 4 К, а эта - в 200 раз меньше). Это очень низкие температуры, они достигаются откачкой паров жидкого гелия, и, к сожалению, без них наблюдать подобные эффекты нельзя. Это - главный недостаток конструкции. А достоинство заключается в том, что они создали сильно легированные 3-4 нанометровые островки, то есть настолько маленькие, что уже наблюдаются квантовые резонансные эффекты в переносе носителей от истока к стоку.

Кроме того, они проанализировали эти резонансы и доказали, что атомы в этом островке расположены хаотично и образуют почти непрерывную зону уровней, через которую транспорт идёт даже лучше, чем ожидалось. Это очень важно, потому что обычный транзистор работает не на туннельном эффекте, а на преодолении барьера за счёт тепловой энергии носителей заряда (то есть термоэмиссионный ток) и за счёт инжекции из истока.

Их прибор работает на туннельном токе, который как минимум в 10 раз меньше, чем инжекционный, так как вероятность туннелирования экспоненциально сильно зависит от расстояния, а также от числа уровней, по которым возможно туннелирование. Получение большого тока - главная проблема туннельных приборов.

- Является ли этот транзистор шагом к созданию квантового компьютера?

- Да, является. В Австралии существует большая программа по созданию квантового компьютера, такие программы имеются во всём мире, в том числе и в России. Главная проблема заключается в том, чтобы точно, в заданном положении, расположить атомы примеси в твёрдом теле.

Например, в работе 2006 года эту проблему попробовали решить очень простым способом. Они просто имплантировали одиночные примесные атомы в готовые структуры, которые потом случайно обнаруживали.

Сейчас уже разработана специальная установка, которая имплантирует по одному атому. Такие установки дороги и сложны в изготовлении, и достоинство рассматриваемой работы в Nature в том, что авторы используют сканирующий туннельный микроскоп со сверхвысоким вакуумом, с помощью которого точно по заданному рисунку размещаются атомы фосфора на поверхности кремния.

- Расскажите про транзистор из одного атома.

- Первая работа с одним легирующим атомом была сделана в 2006 году и опубликована также в журнале Nature, авторство принадлежит сотрудникам университета Дельфта из Голландии. Они сделали транзистор с использованием всего одного примесного атома фосфора. Сейчас эта технология доведена до совершенства. Этим занимаются и австралийские и немецкие исследовательские центры, центры в США.

Исследователи давно работают со считанным количеством легирующих атомов на кремнии и транзисторными структурами, и пытаются делать приборы, подобные тем, что описаны в майской статье. Благодаря эффекту туннелирования можно сделать прибор из 1-3 атомов и получить при этом хорошие характеристики.

В процессе туннелирования задействовано большое количество электронов и один примесный атом, у которого есть возбужденные уровни. И через эти уровни можно заставить электроны туннелировать, это чисто квантовый эффект. Электрон проходит не над барьером, как в обычном транзисторе или в электронной лампе, а туннелирует под барьером. На этом же принципе основана работа транзистора, на который вы ссылаетесь.

Есть похожие разработки, в которых авторы также сумели приготовить очень чистую поверхность, потом они покрыли её водородом, обеспечив ей стабильность. Потом подвели туда туннельный микроскоп и сумели оторвать эти атомы водорода от поверхности. В результате получилась поверхность с большим количеством оборванных связей.

На самом деле уже 25 лет назад за такую работу была дана Нобелевская премия, именно за "выкладывание" атомов на поверхности. Учёные из научного центра IBM первые выложили буквы "I", "B" и "M". Они получили премию за создание такого сканирующего микроскопа. Поэтому сказать, что у австралийцев совсем новый подход, нельзя.

Но их заслуга заключается ещё и в том, что они смогли разместить атомы примеси очень близко друг к другу. Для чего нужно такое близкое расположение? Конечно, их цель - создание квантового компьютера. Из близко расположенных атомов можно сделать ячейки квантового компьютера. Потому что когда вы помещаете атомы сурьмы или атомы фосфора, помимо электрического заряда появляется ещё одно состояние системы, которым можно управлять - спин (магнитный момент).

Между электронами и ядрами существует спиновое взаимодействие, и оказалось, что в кремнии большое время релаксации спина электрона, то есть можно проводить операции не только с зарядом, но и с магнитным моментом движения электрона. Это позволяет получать более эффективные компьютерные алгоритмы, в частности, квантовые.

Если вам удастся близко и точно разместить атомы сурьмы, то с помощью электродов вы сможете устроить взаимодействие между электронами, захваченными атомами сурьмы, и они начнут обмениваться спинами. А это приведет к тому, что информация будет уже не просто 0 или 1, как в обычном компьютере, она будет принимать все комбинированные значения в соответствии с законами квантовой физики.

Возникают связанные и запутанные состояния, они позволяют сделать очень многие физические алгоритмы более быстрыми, например, расчет экспоненты производится почти моментально, буквально за одну операцию, а при существующих системах это сложно и долго. Такой способ действительно очень эффективен и быстр. При этом тратится мало энергии, потому что разница по энергиям этих состояний менее 10^-3 эВ. Предложено много технологий, как делать квантовый компьютер, публикации идут валом.

- А какие есть "альтернативные" варианты?

- Предлагается использовать не только кремний, но и другие полупроводники, в частности, алмаз. Сформулированы семь критериев ДиВинченцо (DiVincenzo) (D. Loss. D. DiVincenzo. Quantum Computation with Quantum Dots. Phys.Rev., 1998, v.A57, N1, pp.120-126 , R. Vrijen, D. Di Vincenzo. Electron Spin Resonance Transistor for Quantum Computation in Silicon - Germanium Heterostructure. Phys.Rev.A.vol.62,012306(1-10) , 2000) для квантовых информационных вычислений. Оказалось, что алмаз практически полностью удовлетворяет им всем. В одном из последних номеров Nature Materials была опубликована его статья "Квантовые биты - лучше, чем "отлично" (D. DiVincenzo "Quantum bits: Better than excellent" Nature Mat. 9, 468-469 (2010), которая является ещё одним подтверждением того, что создать квантовый компьютер вполне реально.

Более того, квантовые кубиты и вычислительные операции на них продемонстрированы уже лет пять назад, но это делалось либо на отдельных атомах, либо в сверхпроводниках. Сейчас это осуществили и в твёрдом теле, не на эффекте сверхпроводимости.

Предложены красивые схемы на алмазах, уже продумано, как записывать информацию, как считывать, причём система работает даже при комнатной температуре. Но алмаз есть алмаз, это дорогой материал. Мы в этом направлении тоже работаем, у нас есть работающие элементы интегральных схем на алмазе, но мы пока не собираемся делать квантовый компьютер, а просто пытаемся создавать квантовые точки B0 и дорожки.

- И как успехи?

- Ну... по крайней мере нас приглашают с докладами на международные конференции, хотя с алмазами с точки зрения электроники мы работаем всего второй год. Основной наш интерес - это кремниевые структуры, в основном мы работаем с ними. На кремнии у нас успехи существенно больше.

Тем не менее, вы можете посмотреть на маленькую схемку на изолирующем алмазе с проводящими дорожками внутри кристалла. Это настоящий прозрачный алмаз, ювелирного качества, он синтетический, но его стоимость не намного меньше, чем у натурального, и понятно, что это серьёзное ограничение для практического применения.

Если создать целую промышленность по производству алмазной электроники, то, думаю, недолго и разориться и, возможно, у девушек не останется бриллиантов, их лучших друзей. Тем не менее, такие разработки ведутся. Кремниевые квантовые системы лучше только тем, что на кремнии уже хорошо отработаны все технологии, и можно сделать только квантовое ядро для квантовых вычислений. А для работы в обычных условиях можно не охлаждать компьютер до безумно низких температур, вблизи 0 К.

- А охлаждать дорого?

- Да, конечно. Охлаждать очень дорого, это гигантские энергозатраты. Это реально большая проблема в компьютерных технологиях. Кто-то охлаждает жидкостью, кто-то газом, каждый изобретает, кто что может. Чем ниже температура, тем выше затраты. Поэтому алмаз - хороший вариант для квантовых компьютеров, без сомнения. Возможно, что карбид кремния окажется таким же эффективным. Его свойства не намного хуже.

На мой взгляд, делать квантовый компьютер на кремнии - задача тяжелая. Она хороша только тем, что технология, как вы видите, отработана настолько, что уже можно размещать на поверхности отдельные атомы. Проблема - избавиться от их перемещения при отжиге. С этим пока не научились справляться.

Более того, для того, чтобы квантовый компьютер работал, надо чтобы атом фосфора или сурьмы оказался не на поверхности, а на глубине порядка 5 нм, это оптимальная глубина. Тогда свойства поверхности меньше всего повлияют на работу квантового кубита, и вы получите лучшие характеристики. Для того чтобы зарастить полученную структуру, нужна повышенная температура.

При этом примесные атомы опять начинают двигаться. Видимо, главной задачей исследователей в будущем станет точная фиксация атомов. То, что они достигли сейчас, позволяет контролировать, как расположены атомы примеси, и сравнивать результаты по проводимости с теоретическими расчетами.

Это означает, что у них есть концепция и все необходимые технологические приемы. Дальше надо экспериментировать и искать лучшие условия. Может быть, их способ окажется удачным. Возможно, более успешным окажется путь, по которому идут американцы из Национальной Лаборатории Сандия. Они внедряют имплантацией под поверхность отдельные атомы примеси, и потом проводят умеренный отжиг, чтобы сохранить их положение. Смещение атома не должно превышать +/- 2, 5 нанометра, тогда такой прибор будет работоспособен как квантовый компьютер.

- Какие ещё функции может выполнять транзистор?

- Сфера его применения очень широкая. Такие системы могут быть полезны, например, в медицине и биологии. Одна из наших работ - это кремниевый транзистор, так называемый нанопроволочный сенсор, он хорошо работает. В нем есть проволочка диаметром 15 - 50 нанометров, такие транзисторы мы полностью изготавливаем и исследуем у себя в институте.

- Для чего она нужна? Когда мы посередине неё помещаем отрицательный заряд, он создает электростатический барьер для электронов, мешает им пройти через проволочку. Чувствительность этого прибора - это единичный заряд электрона. Как только он захватывается на поверхность, проводимость меняется примерно на 10% только за счёт того, что у проволоки маленький размер. Этот принцип используется, например, для регистрации примесей в воде. Мы добавляем в раствор совсем немного молекул соляной кислоты, порядка одного фемтомоля (10^-15 Моль/л), и регистрируем отрицательно заряженные ионы хлора.

Это довольно низкая концентрация, и наш прибор её хорошо чувствует. Кроме того, он отлично распознает в жидкости и другие молекулы химических веществ, например, белки. Известно, что альфа-фетопротеин - это свидетель неблагополучия в организме, у него есть две функции. Он подавляет иммунный ответ, в частности, между материнским организмом и новым, который находится внутри плаценты. С другой стороны, альфа-фетопротеин стимулирует здоровые клетки на борьбу с раковыми.

Есть виды рака, которые плохо диагностируется, например, рак желудка или поджелудочной железы. В случае такой болезни организм начинает вырабатывать альфа-фетопротеин. Естественно, он появляется в крови, и его можно зарегистрировать с помощью нашего прибора даже при очень низких концентрациях. Это хороший способ диагностики подобных заболеваний на ранней стадии.

Ещё один пример - вирус гепатита Б, который тоже вызывает появление антигенов, и с ними тоже есть гигантский ответ. Правда, эксперименты с такими белками ведём не мы, а наши коллеги из Института биомедицинской химии РАМН в Москве. Используется наш кремниевый чип, только многопроволочный.

На каждую нанопроволку микророботом наносится своё антитело, и прибор "срабатывает" от микролитра жидкости, то есть меньше чем от капли крови, если в нём есть соответствующие нанесённым антителам антигены. Биологам это нравится! В принципе, такой сенсор можно встроить, например, в сотовый телефон, и он, например, по потовым испарениям определит наличие инфаркта миокарда.

Ещё одно важное применение - расшифровка протеома человека.

Сначала считалось, что расшифровка генома даст ключ к болезням человека, но потом выяснилось, что организм функционирует гораздо сложнее. У человека примерно 40 тысяч генов и 4 миллиона белков, гены вырабатывают белки, и именно взаимодействие белков определяет, здоров человек или нет.

То есть теперь надо ещё и белки изучать. Есть белки с очень высокими концентрациями, а есть с очень низкими, 10^-16 Моль/л, например, и это даже меньше, чем чувствительность нашего прибора сегодня, но мы работаем и надеемся, что и до этих белков тоже сможем добраться. Так что регулировать жизнедеятельность организма с помощью кремниевых транзисторных систем - это уже реальность. И кремний остается хорошим материалом, на котором можно сделать много полезных для человека вещей.

- Приблизился ли кто-то больше других к созданию квантового компьютера?

- Группы Йорга Враштруба из университета Штутгарда и Михаила Лукина из Гарвардского университета наиболее продвинулись в твердотельном варианте. Отдельные квантовые операции они демонстрируют уже при комнатной температуре. Конкуренция очень большая, поэтому к квантовому компьютеру на основе кремния я отношусь с большим скептицизмом, так как, несмотря на хорошие технологии на кремнии, достоинства широкозонных материалов типа алмаза или карбида кремния существенно выше. Плюсом является и то, что они работают при комнатной температуре, не надо городить большой рефрижератор для криогенных температур.

- Но с другой стороны - цена.

- Да, но я не думаю, что сейчас есть необходимость в большом количестве квантовых компьютеров, если на каждого человека уже приходится 10 миллиардов кремниевых полевых транзисторов. Ими можно распорядиться грамотно, такого количества транзисторов, например, достаточно для того, чтобы создать эмулятор человеческого мозга.

Говорить о том, что такой компьютер обладал бы разумом, наверное, неаккуратно, но то, что он способен принимать решения по тем же принципам, по которым это делает человеческий мозг, вполне корректно. В этом направлении работают. Существует определенный класс задач, где действительно без квантовых вычислений не обойтись.

Там такие вещи нужны и востребованы, а всё остальное будет, скорее всего, на основе кремния. То, что IBM очень успешно продвигается, это видно. Есть "злой" теоретик Масимо Фишети из Италии, он утверждает, что все новые разработки транзисторов нужны только для того, чтобы получать деньги от инвесторов, и что на самом деле для решения задач, которые сейчас стоят перед человеком, можно обойтись кремниевой технологией. Но это крайняя точка зрения. Ясно, что прогресс нельзя остановить, и что человек в конце концов найдёт какие-то новые решения. Будет ли это квантовый компьютер на алмазе, или на чем-то другом, пока неясно.

Например, в нашем институте д.ф.-м.н. И. И. Рябцев со своей лабораторией нелинейных резонансных процессов и лазерной диагностики разрабатывает квантовые электромагнитные системы на основе ультрахолодных ридберговских атомов. В основе системы квантовая ловушка, в центре которой удерживается несколько атомов щелочных элементов.

Эти атомы охлаждаются до ультранизких температур с использованием лазерного излучения. И потом производятся те же операции, что и в твёрдом теле: запись ориентации спина, считывание спина, взаимодействие между спинами и ядрами. Кстати, первые квантовые компьютеры были продемонстрированы на подобной системе. Иначе говоря, сколько исследователей, столько и попыток создать что-то новое. Какие-то из них наверняка будут успешные, какие-то нет.

Размышляя о способах построения квантового компьютера нужно помнить, что пока ни одна из описанных мной технологий не дает существенного преимущества, а раз не дает, то какой смысл тогда делать алмазный транзистор, если есть обычный кремниевый?

Экономика совершенно жестко обрубает все неэффективные направления. Что касается наноразмеров, о которых я говорил, то они доступны в промышленной технологии, я обращаю внимание, что это уже не исследовательский уровень, а именно промышленный. Например, разработки IBM - это, с одной стороны, достижения исследовательской лаборатории, а с другой стороны, они выполнены на промышленном оборудовании. И на нем уже изготавливаются приборы с размерами 3-4 нм.

- Выполняют ли такие устройства те же функции, что и макроскопический транзистор (ведь семь атомов - это уже квантовый объект)?

- К сожалению, нет, уже не выполняет. Он работает при криогенных температурах и основан на туннельных эффектах.

- Стоит ли в ближайшие 5-10 лет ожидать, что такие технологии войдут в нашу жизнь?

- 5-10 лет мало. Обычная кремниевая КМОП-технология будет использоваться по крайней мере 10-20 лет, но 20 лет - это, наверное, максимальный срок. Потом появятся туннельные приборы, которые описаны в этой статье, и те, о которых я рассказывал. Возможно, придумают что-то новое типа квантового компьютера на алмазе, почему нет? Главное - научиться это делать.

Пока что размещение отдельных атомов не промышленная технология - используется специальная зондовая установка. Конечно, есть попытки, когда делают, например, 15000 зондов сразу, и это почти промышленная установка, потому что она дает возможность рисовать микросхему по кремниевой шайбе диаметром 300 мм всеми 15000 зондами сразу.

Такие технологии могут войти в нашу жизнь, но для этого надо показать, что они действительно работают. Как только исследователи сделают системы с потенциально масштабируемым числом кубитов (не менее 10), взаимодействующих между собой, и покажут выполнение нескольких квантовых логических операций, после этого, наверно, появится производство. Но проблемы на этом пути есть, они известны, и их ещё предстоит решить.

- Какими будут транзисторы будущего?

- Предполагается, что будущие транзисторы будут иметь трехмерную структуру, в них будут входить нанопроволки диаметром 3-4 нм, и появятся они через 10-15 лет. То, что сейчас создано, конечно, не удовлетворяет электронику, поскольку на одну логическую операцию должно тратиться не более 10^-20 Дж, или 100 мэВ, это энергия электрона, соответствующая утроенной комнатной температуре.

Сейчас на логическую операцию тратится на два порядка больше. В результате дата-центр типа Google потребляет гигантское количество мощности, около 3 ГВт. Эту энергию нужно уменьшать, поэтому все стремятся понижать проектные нормы. Много проблем связано с тем, что стандартная кремниевая электроника находится вблизи технологических пределов.

Гуру кремниевой технологии из IBM Дивендра Садана в своем докладе на международной конференции в Киото, на которой я недавно был, предсказал, что в 2020 году будут доступны 7 нм проектные нормы, но мне кажется, что придется решить ещё много проблем. Мы действительно вплотную подошли к области, где начинают работать квантовые законы, а не законы, связанные с классической электростатикой и электродинамикой.

В квантовой физике работы такого транзистора возникает много неприятных вопросов. Прежде всего, они связаны с тем, что электрон движется не только как частица, но и как волна, а значит, волновые процессы будут накладывать существенные ограничения и, следовательно, придется избегать многочисленных резонансов, в том числе тех, что наблюдались и в обсуждаемой сегодня работе.

А есть ещё квантовое рассеяние и диссипация энергии на динамические возбуждения. Словом, работы хватит всем, и точку (даже квантовую) пока ставить рано.