Один из главных вопросов современной электроники заключается в том, как продлить действие закона Мура? Это утверждение о том, что количество транзисторов на интегральных схемах удваивается каждые два года. Это повышает энергоэффективность и производительность микросхем.
Процессор Apple A13 Bionic был изготовлен в 2019 году компанией TSMC на техпроцессе 7 нм. При плотности транзисторов почти 90 млн. на квадратный миллиметр A13 Bionic из iPhone 11 содержит в своём составе 8,5 млрд. транзисторов. A14 Bionic 2020 года от TSMC на техпроцессе 5 нм вмещает 134 млн. транзисторов на квадратный миллиметр, всего их 11,8 млрд. Ожидается, что в следующем году TSMC начнёт выпуск чипов на техпроцессе 3 нм. У неё и у Samsung есть планы по сокращению до 2 нм.
Что будет дальше? Многие аналитики говорят, что закон Мура мёртв, хотя так говорили и прежде. В статье в Nature Materials исследователи рассказали, что они изучают новый класс материалов, которые смогут сохранять чипы в прохладном состоянии даже при уменьшении размера. Отвод тепла от большого количества транзисторов на небольшом кристалле является одной из проблем разработчиков и производителей чипов. Транзисторы становятся всё ближе друг к другу, что затрудняет отвод тепла для предотвращения повреждения цепей.
Изоляция в микросхемах отводит ток от цепей. Эта изоляция называется «диэлектриками с низким k». Их называют «безмолвным героем», который делает возможной всю электронику за счёт предотвращения эрозии сигнала и помех. Над новым материалом работают профессор факультета механической и аэрокосмической инженерии Университета Вирджинии Патрик Э. Хопкинс и профессор химического факультета Северо-Западного университета Уилл Дихтель.
Хопкинс: «Учёные искали диэлектрический материал с низким k, который мог бы справиться с проблемами теплопередачи и пространства, возникающими при таких малых масштабах. Хотя мы прошли долгий путь, новых прорывов не будет без объединения научных дисциплин. В этом проекте мы использовали исследования и принципы из нескольких областей - машиностроения, химии, материаловедения, электротехники - чтобы решить действительно сложную проблему, которую никто из нас не смог бы решить по отдельности».
Что делается для создания микросхем меньшего размера: «Мы берём листы полимера толщиной всего в один атом - мы называем их двумерными - и задаём их свойства, располагая листы слоями в определённой архитектуре. Наши усилия по совершенствованию методов производства высококачественных 2-мерных полимерных плёнок сделали возможным эту совместную работу. Команда применяет новый класс материалов, чтобы попытаться удовлетворить требования миниатюризации транзисторов на кристалле. В этом есть огромный потенциал для использования в полупроводниковой промышленности. Материал имеет как низкую электропроводность, так и высокую способность к теплопередаче».
В Международной технологической дорожной карте полупроводников упоминается сочетание упомянутых свойств как необходимых для создания интегральных схем следующего поколения. Остин Эванс, аспирант лаборатории Дихтеля: «В этом проекте мы сосредоточены на тепловых свойствах этого нового класса материалов. Пока мы только в начале пути. Разработка новых классов материалов с уникальными комбинациями свойств обладает огромным технологическим потенциалом». В частности, они могут продлить срок жизни закона Мура.
