Закон Мура – наблюдение о том, что количество транзисторов в плотной интегральной схеме удваивается примерно каждые 18-24 месяца, – это проекция, а не физический или естественный закон. Тем не менее, он доказал свою точность на протяжении нескольких десятилетий и использовался в полупроводниковой промышленности для руководства долгосрочным планированием и определения целей исследований и разработок.

Многие достижения в области цифровой электроники тесно связаны с законом Мура: примерами могут служить цены на микропроцессоры с поправкой на качество, объем памяти, датчики и даже количество и размер пикселей в цифровых камерах.

Но может ли это продолжаться бесконечно? В 2015 году Intel заявила, что темпы продвижения замедлились, начиная с 22-нм ширины элемента примерно в 2012 году и продолжаясь на 14-нм. Однако в апреле 2016 года генеральный директор Intel Брайан Кржанич заявил, что “за 34 года работы в полупроводниковой промышленности я был свидетелем разрекламированной смерти закона Мура не менее четырех раз. По мере того, как мы переходим от 14-нм технологии к 10-нм и планируем 7-нм и 5-нм и даже дальше, наши планы являются доказательством того, что закон Мура жив и здоров”.

Технологии на основе кремния почти достигли физических пределов количества и размера транзисторов, которые могут быть втиснуты в один чип, в то время как альтернативные технологии все еще далеки от массового внедрения. Уменьшение размера транзистора — это нечто большее, чем инженерная задача, поскольку необходимо учитывать фундаментальную физику.

Закону Мура пришел бы конец, потому что транзисторы так же малы, как атомы, и не могут быть уменьшены дальше. Чтобы решить эту проблему, потребуются принципиально новые концепции электроники для создания коммерчески жизнеспособных альтернатив, удовлетворяющих требованиям к постоянно растущей вычислительной мощности. Закон Мура может со временем исчерпать себя, если не появятся новые технологии, которые дадут ему поводок.

“Вся полупроводниковая промышленность хочет сохранить закон Мура в силе. Нам нужны транзисторы с более высокой производительностью, поскольку мы продолжаем сокращать масштабирование, а транзисторы на основе кремния больше не дадут нам улучшений”, — сказал Хайнц Шмид, исследователь IBM Research GmbH в Цюрихской исследовательской лаборатории в Швейцарии.

Команда Шмида из Цюриха при поддержке коллег из Йорктаун-Хайтс, штат Нью–Йорк, разработала относительно простой, надежный и универсальный процесс выращивания кристаллов из сложных полупроводниковых материалов, который позволит интегрировать их в кремниевые пластины — важный шаг к созданию будущих компьютерных чипов, которые позволят интегральным схемам продолжать сокращаться. в размерах и стоимости, даже при увеличении производительности.

Команда IBM изготовила монокристаллические наноструктуры, такие как нанопроволоки, наноструктуры, содержащие сужения и перекрестные соединения, а также трехмерные нанопроволоки, выполненные из так называемых материалов III–V. Изготовленные из сплавов индия, галлия и арсенида, полупроводники III-V рассматриваются как возможный будущий материал для компьютерных чипов, но только в том случае, если они могут быть успешно интегрированы в кремний. До сих пор усилия по интеграции были не очень успешными.

Новые кристаллы были выращены с использованием подхода, называемого селективной эпитаксией с помощью шаблона (TASE), с использованием химического осаждения органических металлов из паровой фазы, которое в основном начинается с небольшой площади и превращается в гораздо более крупный кристалл без дефектов. Этот подход позволил им литографически определять оксидные шаблоны и заполнять их с помощью эпитаксии, в конечном итоге создавая нанопроволоки, перекрестные соединения, наноструктуры, содержащие сужения, и трехмерные нанопроволоки, уложенные друг на друга, используя уже установленные масштабные процессы технологии Si.

“Что отличает эту работу от других методов, так это то, что составной полупроводник не содержит вредных дефектов и что процесс полностью совместим с современной технологией изготовления чипов”, — сказал Шмид. “Важно отметить, что этот метод также экономически выгоден”.

Одним из многообещающих подходов к разработке новых технологий является использование крошечного магнитного момента электрона, или «спина». Электроны обладают двумя свойствами – зарядом и спином – и хотя современные технологии используют заряд, считается, что технологии, основанные на спине, потенциально могут превзойти “основанную на заряде” технологию полупроводников для хранения и обработки информации.

Ученые из Университетского колледжа Лондона (UCL) открыли новый метод эффективной генерации и управления токами, основанный на магнитной природе электронов в полупроводниковых материалах, предлагая радикальный способ разработки нового поколения электронных устройств.

Чтобы использовать электронные спины для электроники, или «спинтроники», метод электрической генерации и детектирования спинов должен быть эффективным, чтобы устройства могли обрабатывать информацию о спинах с низким энергопотреблением. Одним из способов достижения этого является эффект спин-Холла, который исследуется учеными, стремящимися понять механизмы этого эффекта, а также то, какие материалы оптимизируют его эффективность. Если исследование этого эффекта будет успешным, это откроет двери для новых технологий.

Эффект спин-Холла помогает генерировать «спиновые токи», которые обеспечивают передачу спиновой информации без протекания электрических зарядовых токов. В отличие от других концепций, которые используют электроны, спиновый ток может передавать информацию, не вызывая нагревания от электрического заряда, что, как упоминалось выше, является серьезной проблемой для современных полупроводниковых устройств. Эффективное использование вращений, генерируемых эффектом спин-Холла, также может революционизировать приложения памяти на основе спинов.

Ученые сообщили о в 40 раз большем эффекте, чем ранее достигалось в полупроводниковых материалах, причем наибольшее измеренное значение сравнимо с рекордно высоким значением эффекта спин-Холла, наблюдаемого в тяжелых металлах, таких как платина. Это демонстрирует, что будущей спинтронике, возможно, не придется полагаться на дорогие, редкие, тяжелые металлы для повышения эффективности, но относительно дешевые материалы могут быть использованы для обработки информации о вращении с низким энергопотреблением.

В целом, увековечение закона Мура в обозримом будущем потребует разработки прорывных технологий, которые выведут электронную промышленность за пределы ее кремниевой зоны комфорта. Можно ли их разработать вовремя, чтобы закон Мура сохранялся в ближайшем будущем, — это вопрос времени, но даже если нет, нет причин, по которым он не мог бы возобновиться в будущем.