Транзистор толщиной в атом: что означает новый прорыв в IT-отрасли
В последние полвека вычислительные ресурсы компьютеров росли темпами, невиданными ни в какой другой области техники. Это стало возможным благодаря стремительной миниатюризации транзисторов — главных строительных блоков любой микросхемы.
Недавно исследователи из Китая отчитались в журнале Nature о создании транзистора, ключевая деталь которого (затвор) имеет толщину буквально в один атом углерода. Внедрение этой технологии сделает компьютеры куда мощнее, чем сегодня. Но станет ли это последним прорывом? И что будет с мировой экономикой, если прогресс микроэлектроники действительно упрется в «атомный барьер»?
Гормон экономического роста
В 2021 году мировые расходы на IT-продукты (включая устройства, программное обеспечение и услуги) составили $4,2 трлн. Информационные технологии все сильнее меняют производство, потребление, торговлю, логистику и управление во всех отраслях. Удаленная работа и интернет-магазины, промышленные роботы и искусственный интеллект, сбор информации о клиенте и автоматизированная разработка новых продуктов — этот список можно продолжать очень долго.
В 1987 году нобелевский лауреат по экономике Роберт Солоу пришел к выводу, что компьютеризация не увеличивает производительность труда. Этот «парадокс продуктивности» стал предметом пристального внимания экономистов. И хотя споры по его поводу продолжаются, новые данные скорее показывают, что мэтр поторопился. Экономике потребовалось время, чтобы освоить новый инструмент, да и сам инструмент за прошедшие десятилетия стал куда мощнее.
Так, в США в 1995–2002 годах именно внедрение IT-технологий обеспечило практически весь рост производительности труда и две трети роста общей факторной производительности (то есть увеличения выпуска продукции, не вызванного затратами труда и капитала). В остальном мире компьютеризация тоже стала одним из драйверов экономического роста.
Стратегия стрекозы
Какими бы мощными ни были сегодняшние компьютеры, некоторые задачи даются им с трудом. Все более востребованной становится отрасль «больших данных»: компании хотят знать все о своих клиентах, сотрудниках и процессах. Огромных вычислительных ресурсов требует и искусственный интеллект. Обучение какого-нибудь далекого от совершенства голосового помощника вполне может занять неделю-другую даже на серверах, битком набитых самыми современными процессорами. Упорная ставка бизнеса на завтрашний компьютер вторгается даже в быт рядовых потребителей. Купленные несколько лет назад смартфоны и планшеты приходится менять не потому, что они вырабатывают ресурс, а потому, что в их памяти уже не умещаются бесконечные обновления все более громоздких приложений (если бы еще при этом они становились более удобными или полезными).
Расчет на светлое завтра микроэлектроники оправдывается уже более полувека. Но наивно полагать, что так будет всегда. Возможности любого устройства ограничены законами физики, которые невозможно отменить или переписать. Судя по некоторым признакам, предел роста уже близок.
Нарушение закона
Производительность компьютера зависит от многих вещей, но прежде всего от количества транзисторов. Транзистор — это элемент, который по команде переключается из режима проводника в режим изолятора. Отсутствие и наличие тока можно отождествить с нулем и единицей.
Это и есть мост между «железом» и данными. Символы 0 и 1 образуют двухбуквенный алфавит, который ничем принципиально не отличается от русского или латинского. С его помощью можно записать любой текст, а значит, выразить любую информацию. То, что программисты пользуются для этого искусственными языками, сути не меняет.
Любой файл или программа — это в конечном счете длинная последовательность нулей и единиц. Чтобы хранить и обрабатывать ее, нужно достаточное количество транзисторов. А чтобы последние уместились на чипе, они должны быть достаточно маленькими.
Десятилетиями миниатюризация транзисторов шла так успешно, что количество их на чипе росло по экспоненте. У экспоненциального роста есть простое математическое свойство: через каждые N лет накопленный результат удваивается. По каким-то техническим и экономическим причинам оказалось, что в данном случае N=2. Это и есть знаменитый закон Мура: количество транзисторов на чипе удваивается каждые два года. Соучредитель Intel Гордон Мур впервые обратил внимание на эту закономерность еще на заре отрасли, когда число транзисторов на чипе измерялось десятками. Спустя некоторое время упомянутый закон, похоже, стал самосбывающимся пророчеством: менеджеры закладывали его в планы и требовали от инженеров соответствовать.
Тренд сломался в начале 2010-х. Число транзисторов продолжало расти, и быстро, но все же медленнее, чем требовал закон Мура. С тех пор «отставание от графика» нарастает, хотя количество транзисторов на одном чипе измеряется уже десятками миллиардов.
Дело в том, что уменьшать классические кремниевые транзисторы становится все труднее. Эти трудности вынудили гигантов индустрии пойти на маркетинговые уловки. Читая, что IBM представила первый в мире чип, изготовленный «по технологии 2 нм», следует помнить, что эти два нанометра — не размер транзистора, а довольно абстрактная величина, которая сложно вычисляется, зато хорошо звучит. Размеры же транзисторов на новом чипе начинаются с 15 нм. Но чересчур иронизировать не стоит: даже 15 нанометров — это всего 36 выстроенных в ряд атомов кремния.
Есть ли жизнь после кремния
Возможно, кремниевые транзисторы удастся уменьшить еще в несколько раз, не нарушив их работоспособности. Но этот ресурс уже почти исчерпан. Чтобы вычислительная мощность продолжала расти, пусть и не по Муру, нужны новые пути развития.
Самая очевидная мысль: если более миниатюрные транзисторы не получаются из кремния, нужно сделать их из чего-нибудь другого. Особенно соблазнительны двумерные материалы, то есть пленки толщиной в один атом. По крайней мере, с ними карту «уменьшение транзисторов» можно разыграть до конца: что может быть тоньше единственного атома?
Самые доступные из таких материалов — это графен (плоский двумерный углерод) и углеродные нанотрубки с двумерными стенками. Из нанотрубок уже делали не только отдельные элементы, но и целый микропроцессор с тысячами транзисторов. Авторы статьи в Nature пошли по другому пути и использовали графен.
Говоря точнее, из графена сделан только затвор транзистора (переключатель режимов «проводник» и «изолятор»). Именно он имеет толщину в один атом углерода, или 0,34 нм. Толщина затвора — одно из ключевых ограничений на размер транзистора в целом. Теперь, когда затвор предельно тонок, можно попробовать «подтянуть» и остальные параметры.
В качестве полупроводника в новом транзисторе применяется не кремний, а дисульфид молибдена. Он не двумерен, но тоже способен образовывать чрезвычайно тонкий слой, что также уменьшает транзистор. Остальные использованные компоненты — это алюминий и его оксид, а также оксид гафния.
Со всеми этими веществами уже экспериментировали многие научные группы. Ноу-хау авторов не в составе транзистора, а в технологии его изготовления. Она не требует устанавливать графеновый элемент в нужное место с атомарной точностью. Где бы ни оказалась кромка графена, она займет правильную ориентацию и будет выполнять функции затвора. Это, безусловно, упрощает и удешевляет производство.
Впрочем, новой технологии еще далеко до коммерциализации, поэтому сложно сказать, какова будет итоговая стоимость чипа. Это еще одна трудность на пути к новой электронике. Десятилетия в кремниевом раю приучили нас, что вычислительная техника становится мощнее, но не дороже. Даже если завтра будут изобретены субнанометровые транзисторы из какого-нибудь «хлорида пандемония», им придется выдержать еще и ценовую конкуренцию с кремниевыми. Иначе компьютеры нового поколения достанутся лишь тем, кто будет готов заплатить больше.
Впрочем, уменьшение транзисторов — не единственный путь улучшить быстродействие чипов. Уже сейчас специалисты работают над новыми архитектурами микросхем, новыми системами команд и другими направлениями, остававшимися без внимания, пока удвоить число транзисторов было проще и дешевле. А где-то за горизонтом маячат квантовые компьютеры, обещающие новую эру в вычислениях, которая наступит то ли через 10 лет, то ли через 100.
Конечно, никакие усилия не продлят до бесконечности взрывной рост вычислительной мощности, к которому мы так привыкли. Но мы вполне можем дождаться еще одной технологической революции, которая сделает смартфон таким же раритетом, как арифмометр. Ну а если нет, придется искать источник роста на других фронтах прогресса, благо их предостаточно.