User:Ppiipuu
Erialatutvustuse aine arvestustöö
Autor: Priit Piipuu
Rühm: DK12
Esitamise kuupäev:
Essee
Allolev essee on kirjutatud peamiselt IEEE Spectrumis ilmunud uudise "Let's Make the Entire Chip from Graphene" põhjal.
Transistoride miniaturiseerimisega seotud probleemid on sundinud otsima alternatiive ränil ja vasel baseeruvatele lülitustele. Näiteks International Technology Roadmap for Semiconductors’i ennustuse järgi jäävad 2015 aastaks ränipindu kiipide „kaabeldusega“ ühendavad vasest viigud ajale jalgu. Ühelt poolt muutub detailide vähenevate möötmete tõttu vasest ühenduste tegemine üha keerulisemaks ja nende kontaktitakistus üha suuremaks. Sellise olukorra vältimiseks on vaja alternatiivseid lahendusi.
Üks võimalikke räni asendavaid materjale on grafeen. Paar aastat tagasi näitas IBM, et mikrokiipi on võimalik valmistada osaliselt grafeenist. Nende disaini järgi loodi grafeenist väljatransistor ja ülejäänud ühenduste komponendid, mis omakorda asetati ränikarbiidist vahvlile. Kuigi grafeeni kasutamine mikrokiibis on iseenesest uudne, järgis nende disain siiski väljakujunenud tava kasutada kiipides eri materjale, lisaks pooljuhtelementidele ka mingit täisjuhti, näiteks vaske.
Peale mõningast vaikust jõudsid tänavu California ülikooli Santa Barbaras teadlased järgmise olulise tulemuseni: Ajakirjas „Applied Physics Letters“ ilmunud artiklis näitasid nad, et seadmed ja nendevahelised ühendused on võimalik ehitada samast materjalist, grafeenist. Eriti oluline on aga artiklis esitatud väide, et ainult grafeenist koosnevad elektroonikalülitused on võimelised ületama 22 nm komplementaarsete metalloksiid-pooljuhtide (CMOS) staatilist jõudlust. Ainult grafeeni kasutamine kiibis muudab selle valmistamise oluliselt lihtsamaks ja pakub iseenesest uuendusliku lahenduse kontaktitakistuse probleemile.
Kommentaariks niipalju, et grafeen ei ole muidugi ainus viis süsiniku mikroelektroonikas kasutamiseks. Teine populaarne imematerjal on süsiniknanotorud (CNT) ja ka siin on olnud viimasel ajal huvitavaid arenguid. Nimelt jõuti Stanfordi ülikoolis hiljuti esimese süsinikust protsessoriga digitaalarvutini. Professorite H.-S Philip Wongi ja Subhasish Mitra juhtimisel loodud [: http://spectrum.ieee.org/tech-talk/semiconductors/devices/first-computer-made-from-carbon-nanotubes-debuts masin] on kaasaegsete arvutitega võrreldes üsnagi primitiivne. See koosneb 178st CNTdel baseeruvast transistorist, protsessoril on ühebitine aadressiruum ja see töötab sagedusel 1 kHz. Loodud arvuti võimaldab teostada kahtekümmet operatsiooni MIPSi käsustikust ja sellel on võimeline jooksma opsüsteem. Kõikide operatsioonide tegemiseks kasutab see protsessor ühte tehet.
Protsessori valmistamisel kasutati optilist litograafiat lahutusega 1µm, samal ajal kui ränil baseeruvate transistoride mõõtmed jäävad tänapäeval kuni 10nm kanti. Nanotorude tihedus toorikkristallil on samuti üsnagi madal, umbes 5 tükki mikromeetri kohta. Muutmaks tootmisprotsessi kuluefektiivseks ja kasvatamsks lülituste kiirust, peaks nanotorude tihedust suurendama 20 .. 40 korda. Tootmise alastest probleemidest ja lülituste algelisusest hoolimata on CNTdel põhinev arvuti oluline samm ränile pooljuhtlülitustes asendaja leidmisel. Oodatavalt võiks CNTl baseeruvad protsessorid näidata suurusjärgu võrra paremat energiaefektiivsust kui praegused, ränid põhinevad lülitused.
Kas süsinikul baseeruvatest mikrokiipidest ka tegelikult asja saab, näitab aeg, ehk siis järgmine mikrokiipide põlvkond või paar. Võib-olla läheb süsinikuga nii, nagu galliumarseniidiga, mis on teatud ringkondades jätkuvalt elektroonikatööstuse tulevik ja seda juba viimased nelikümmend aastat.
