Развитие электроники в наши дни напоминает приключения Алисы в Стране чудес в тот момент, когда она съев или выпив что-то, стремительно уменьшалась: современная микросхема может быть не больше пылинки, размеры транзисторов — «элементарных частиц» электронных устройств приближаются к теоретическому пределу и вот-вот станут атомарными. А что произойдет за пределом? Как будет развиваться отрасль, куда пойти работать тем, кто хочет связать свою жизнь с исследованием и созданием техники будущего? Об этом рассказал директор Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН академик Александр Васильевич Латышев на лекции в рамках фестиваля NAUKA 0+.

Все мы пользуемся бесконтактными банковскими картами или смартфонами, в роли этих карт, не задумываясь о том, как происходит процесс оплаты. Внутри карты вшит чип, сердце которого — полупроводниковый кристалл, способный хранить информацию и позволяющий считывать ее в момент прикладывания к терминалу. Такой кристалл содержит несколько миллионов транзисторов, а размер отдельной микросхемы — 90 нанометров.

«Чтобы её сделать, нужно провести пять тысяч операций и тысячу контрольных измерений, требуется соблюдение сверхчистых условий, потому что даже одна пылинка может испортить изделие. В России подобные микросхемы изготавливает группа компаний ПАО «Микрон» (Московская область), с которой наш Институт активно сотрудничает. Чипы для проездных билетов московского городского транспорта, смарт-карты для российских биометрических паспортов, чип-модули для платежных карт "МИР" производят именно здесь», — отметил Александр Латышев.

Размер первого транзистора (его изобрели трое американских исследователей в 1957 году и через девять лет получили за это открытие Нобелевскую премию) — составлял около пяти сантиметров. Сегодня созданы транзисторы размером в один нанометр (одну миллиардную метра), современные полупроводниковые чипы содержат до 30 миллиардов этих полупроводниковых компонент.

макет первого транзистора 

макет первого транзистора

 

«Согласно закону Мура, каждые два года количество транзисторов на микросхеме удваивается: по существующим прогнозам к 2035 году будет создан чип, в состав которого войдет триллион транзисторов. Если сравнивать с человеческим мозгом — последний содержит 70 миллиардов нейронов. Микроэлектроника — одна из самых динамично развивающихся отраслей в науке и технике и драйвер инноваций для цифровой экономики», — подчеркнул академик.

размеры транзистора в современной микросхеме 


размеры транзистора в современной микросхеме

Дальнейшая эволюция микроэлектроники направлена конечно же в сторону уменьшения: туда, где играют роль квантовые эффекты. Главные действующие лица современных микроэлектронных приборов — полупроводниковые кристаллы, в которых электроны «бегают» по всему объему. Но постепенно кристаллы заменяются на тонкие пленки, где электроны могут двигаться только в одной плоскости или на квантовые проволоки (в них заряженные частицы перемещаются только в одном направлении на плоскости) и даже на квантовые точки, в которых электроны «заперты».

Почему это важно? Размеры транзисторов приближаются к атомарным и межэлектронные взаимодействия в них могут повлиять на передачу сигнала: столь маленькие компоненты не будут стабильно работать. Сейчас транзистор либо пропускает электрический ток, либо нет: то есть имеет два состояния — логическую единицу или ноль. В такой системе двоичного кода осуществляется передача любой цифровой информации, включая ту, что вы сейчас читаете с экрана гаджета. Но проблема уменьшения размеров в том, что из-за определенных квантовых эффектов транзистор атомарного размера может начать проводить электрический ток в тот момент, когда это не нужно, то есть 1 внезапно станет 0. Карета превратится в тыкву: полученная информация будет отличаться от отправленной. А системы на основе квантовых точек могут, во-первых, кодировать состояние логической единицы, нуля и суперпозицию обоих — одновременно и ноль, и единицу и, во-вторых, управляться небольшим магнитным полем.

«Специалисты ИФП СО РАН умеют создавать полупроводниковые пленки на основе гетероструктур, полученных самым современным методом молекулярно- лучевой эпитаксии. Для него необходима система камер со сверхвысоким вакуумом, в котором на подложку "напыляются" атомы другого вещества и верхний слой растет, наследуя кристаллическую структуру нижнего. Формируется новая материя, несуществующая в природе, с физическими свойствами идеально подходящими для создания микроэлектронных устройств: лазеров, биосенсоров, матриц для инфракрасных фотоприемников и других», — добавил Александр Латышев.

Например, использование гетероструктур состава алюминий-галлий-мышьяк позволили ученым ИФП СО РАН сделать излучатель одиночных фотонов и одноэлектронный транзистор. Однофотоника используется в телекоммуникациях и квантовой криптографии, для передачи конфиденциальных данных, так как фотон невозможно перехватить незаметно для получателя или подделать. Одноэлектронный транзистор настолько чувствителен, что переключается при перемещении лишь одного электрона, что значительно экономит энергию. Правда, пока такой прибор может работать при температуре 150 Кельвинов ( — (минус) 123 градусов Цельсия)

Судя по всему, микроэлектронные устройства завтрашнего дня будут работать на новых физических принципах: как именно — покажет время. Но, если проводить параллели с изменением состояний Алисы в Стране чудес, можно с уверенностью сказать лишь одно: в мире микроэлектроники увеличения компонентов не ожидается.

Надежда Дмитриева,

пресс-служба ИФП СО РАН

Похожие новости

  • 04/01/2019

    Юбилей академика Александра Васильевича Латышева

    ​Александр Васильевич Латышев родился 4 января 1959 года в г. Булаево Северо-Казахстанской области. В 1981 году окончил Новосибирский госуниверситет по специальности «физика». Далее — в Институте физики полупроводников им.
    754
  • 14/01/2016

    ИФП СО РАН - в числе лучших научных организаций России

    ​Об этом и других достижениях 2015 года директор Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН член-корреспондент РАН Александр Васильевич Латышев рассказал в ходе традиционного научного семинара, проходящего в ИФП в начале года.
    2856
  • 29/08/2018

    В Новосибирске обсудили перспективы развития технологической кооперации науки и производства

    ​Заседание Совета главных инженеров предприятий Сибирского федерального округа на VI Международном форуме и выставке технологического развития "Технопром-2018" было посвящено перспективам развития технологической кооперации науки и производства.
    780
  • 29/10/2018

    Академик Александр Латышев назначен директором ИФП СО РАН

    ​23 октября приказом Минобрнауки России на должность директора Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН назначен академик Александр Латышев.
    637
  • 14/05/2019

    От электрона к фотону: ИФП СО РАН — 55

    ​​Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова появился в результате объединения Института физики твердого тела и полупроводниковой электроники и Института радиофизики и электроники. С тех пор ИФП СО РАН остается признанным за рубежом и в России лидером в области создания и производства новых высокотехнологичных материалов, интегратором крупных научно-производственных проектов и коммуникационной площадкой для ученых, преподавателей, представителей индустриального и бизнес-сообщества.
    545
  • 08/08/2018

    Академик Александр Латышев: Центр полупроводниковых нанотехнологий должен обеспечить мировой уровень исследований

    ​Тысячные тиражи компонентов из новейших материалов через пять лет смогут получать предприятия российской электронной промышленности. Источник — новый инжиниринговый центр, о котором рассказывает врио директора Института физики полупроводников имени Ржанова СО РАН академик Александр Васильевич Латышев.
    1049
  • 11/04/2018

    Круглый стол «Научное приборостроение для нанотехнологий. Современное состояние. Возможности развития»

    ​Уважаемые коллеги, В новосибирском Академгородке 25 апреля 2018 года с 11-00 до 17-00 на базе Института физики полупроводников имени А.В. Ржанова СО РАН (Новосибирск, пр. академика Лаврентьева, 13) при поддержке Нанотехнологического Общества России, компании NT-MDT Spectrum Instruments и Сибирского Отделения РАН состоится в формате круглого стола семинар по теме: «Научное приборостроение для нанотехнологий.
    1278
  • 18/12/2018

    Всероссийская конференция «Физика ультрахолодных атомов» проходит в Новосибирске

    Физики обсуждают новые результаты в области лазерного охлаждения атомов и ионов, оптических стандартов частоты, ультрахолодных Бозе- и Ферми-газов, нелинейной лазерной спектроскопии. В будущем все это может лечь в основу таких технологий, как квантовый компьютер, оптические часы, навигационные системы на основе гравитационного поля Земли.
    1912
  • 30/09/2019

    XIV Российская конференция по физике полупроводников получила высокую оценку экспертов

    ​В сентябре 2019 года Институт физики полупроводников им А.В. Ржанова СО РАН стал основным организатором XIV Российская конференция по физике полупроводников. Впервые за время существования мероприятия был сделан акцент на прикладном направлении: ИФП СО РАН подготовил выставку своих разработок, нашедших применение в промышленности.
    248
  • 07/02/2018

    «Экран-оптические системы» будет работать по технологиям ИФП СО РАН

     Институт физики полупроводников им А. В. Ржанова СО РАН и АО «Экран-оптические системы» подписали соглашение о сотрудничестве, в рамках которого в институт будет поставлено промышленное оборудование для производства полупроводниковых гетероструктур — необходимого компонента электронной базы современных телекоммуникационных систем, систем связи и цифровой экономики.
    1222