Найден способ замены кремния углеродом в компьютерах будущего
Исследователям удалось создать новую компьютерную систему, работающую без применения кремния, на основе углерода. В числе преимуществ компьютеров на основе новых транзисторов — их значительно возросшая производительность. Конструкция такой вычислительной системы будет существенно отличаться от привычной, основанной на кремнии. Как именно смогут работать углеродные компьютеры будущего?
Инженером из Школы инженерных и компьютерных наук Эрика Джонссона (Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science) Техасского университета в Далласе была создана новая компьютерная система, изготовленная исключительно на основе углерода, который в будущем сможет заменить кремний в транзисторах современных электронных девайсов.
Большая часть исследования была проведена профессором-ассистентом электрических и компьютерных технологий доктором Джозефом С. Фридманом (Joseph S. Friedman) еще тогда, когда он был докторантом в Северо-Западном университете.
Результатом его исследования стала компьютерная система на основе базирующейся на углероде спинтронной логики. Результаты исследования были опубликованы 5 июня 2017 года Джозефом Фридманом и несколькими его соавторами в онлайн-журнале Nature Communications. Джозеф Фридман уверен в том, что подобная компьютерная система будет меньше той, что основана на кремниевых транзисторах, а ее производительность возрастет.
Современные электронные девайсы основаны на транзисторах, являющихся крошечными кремниевыми структурами, позволяющими отрицательно заряженным электронам проходить через кремний, формируя электрический ток. Транзисторы работают в качестве свитчей (переключателей), включая и выключая ток.
В дополнение к способности нести электрический заряд, электроны обладают также другим качеством, относящимся к их магнитным свойствам, которое называют спином. В последние годы инженеры изучали пути использования характеристик спина электронов для создания нового класса транзисторов и девайсов. Это направление называется спинтроникой, или спиновой электроникой.
Предлагаемый Джозефом Фридманом углеродный спинтронный свитч функционирует в качестве логического шлюза, работа которого основана на базовом принципе электромагнитов: когда электрический заряд проходит через провод, он создает магнитное поле, которое охватывает провод.
В дополнение магнитное поле вокруг двухмерной ленты углерода, которая называется графеновой нанолентой, и оказывает влияние на ток, проходящий через ленту. В традиционных компьютерах на основе кремния транзисторы не могут воспроизводить этот феномен. Вместо этого они соединены друг с другом проводами. Выход из одного транзистора соединяется проводом со входом следующего транзистора, и, таким образом, транзисторы каскадно соединены между собой.
В конструкции спинтронной микросхемы, предложенной Джозефом Фридманом, электроны, проходя через углеродные нанотрубки — очень тонкие провода, изготовленные из углерода, — создают магнитное поле, оказывающее влияние на течение тока в ближайшей графеновой наноленте, обеспечивая каскадные логические шлюзы, которые не соединены между собой физически.
Поскольку взаимодействие между графеновыми нанолентами осуществляется посредством электромагнитных волн, а не физического движения электронов, Джозеф Фридман ожидает, что скорость этого взаимодействия будет выше и потенциально позволит обеспечить тактовые частоты, исчисляемые в терагерцах. В дополнение эти углеродные материалы могут быть сделаны меньшего размера, чем транзисторы на основе кремния, поскольку отсутствуют те ограничения, которые обусловлены свойствами кремниевого материала.
Следует отметить, что этот концепт все еще находится на стадии "чертежной доски", но Джозеф Фридман отмечает, что работа над прототипом углеродной каскадной спинтронной компьютерной системы будет продолжена в междисциплинарной исследовательской лаборатории NanoSpinCompute, которой он руководит в Техасском университете в Далласе.
Какие перспективы могли бы принести с собой компьютерные устройства, тактовая частота которых выражается не в гигагерцах, в терагерцах (триллионах герц)?
