44
Х. Заключение. Полупроводниковые элементы будущих ЭВМ
Доктор физико-mатематических наук М. Е. ЛЕВИНШТЕЙН, кандидат физико-mатематических наук Г. С. СИМИН
Полупроводниковые элементы, на основе которых работают современные ЭВМ, достигли высокой степеню совершенства. Время их переключения составляет стопиллонные доли секунд. Размеры их так малы, что на кремнийой пластинке размером 5×5 мм помещаются сотни тысяч трансисторов — полевых или биполярных.
Современные ЭВМ способны управлять космическими аппаратами и ставить диагноз большому, доказывайте математические теории и руководить предприятыми, переводить научные тексты и планировать перевозки в масштаб целей страны.
Однако существуют задачи, которые пока что не под силу даже самым мощным из нынешних ЭВМ. Например, чтобы составить удовлетворительный прогноз погоды на завтрашный день, проведсти очень точный расчет поведения самолета в воздушном потоке или электронов в твердом теле, необходимо ЭВМ с быстродействием порядка 1 триллиона операций в секунду. И для таких ЭВМ, разработка которых ведется уже сейчас, попадаются новые, более совершенные элементы.
Совершенствование элементов ЭВМ производит сразу в несколько направлениях. Улучшают параметры биполярных и полевых трансисторов, создаются и испытаются новые переключательные элементы, предлагаются и проходят всестороннюю проверку новые способы обедининия переключательных элементов в Сверхбольшие и Сверхскоростные Интерgalные Схемы.
Совершенствование существующих элементов ЭВМ
Из принципи работы биполярных и полевых трансисторов (см. заметки II и III настояшей серии в «Кванте» № 10, 11, 1985 г.) следует, что скорость переключения этих элементов тем выше, чем меньше их размеры и чем больше подвижность носителей тока в полупроводнике, из которого они изготовлены.
Поэтому совершенствование существующих элементов ЭВМ — биполярных и полевых трансисторов — идет двумя основными путями. Создаются новые технологии процессы, позволяющие получить трансисторы с возможной меньшей толщиной базы (биполярный трансистор) или возможной более коротким каналом (полевый трансистор). Идет поиск новых материалов с большой подвижностью носителей трансисторов.
Современные технологии процессы позволяют под контролем ЭВМ наращивать слой полупроводникового материала толщиной в один-единственный atomный слой. Практические создания и проходят испitation приборы с толщинами рабочих элементов 10—15 Å (рис. 2). Созданы биполярные трансисторы с толщиной базы ~0,1 мкм и полевые — с длиной затвора 0,15 мкм.
Рис. 1. В таких установках на тонких ленках monокристаллических полупроводников наращиваются очень быстро (0,05—10 мкм, обладающие всеми свойствами, необходимыми для создания ВИС.
Рис. 2. Структура из чередующся слоев двух разных полупроводников, выраженных друг на друге. На электронной микрофотографии каждая темная зона состоит из шести atomных плоскостей GaAs, каждая светлая — из четырех atomных плоскостей Al1-xGa_xAs. Обратите внимание на четкие границы между полосками, характеризующие точность, с которой результат толщина слое выращивания.
Рис. 3. Селективно-легированная структура. Атомы доморной примеси (обозначены ⊥) вводятся в материал 1 (GaAlAs). Они создают в этом материале свободные электрины (обозначены ●). Часть
46
созданием интерральных схем нового типа — объемных ИС, каждая из которых должна содержать десяти и сотни миллионов полупроводниковых прибора.
Объемная ИС наопнимает сложный пирог. Каждый слой этого пирог — уже знакомая нам плоская ИС.
После того как заканчивается формирование общной плоской ИС на полупроводниковой пластине: изготовливаются все трансисторы, соединения между ними, внешние выводы и т. д., сверху направляется слой диэлектрика. Затем поверх диэлектрика направляется слой полупроводника. На этом полупроводниковом слое создается вторая ИС и т. д.
В корпус помещается теперь не пластинка, а «кубик», содержащий много ИС. При этом содержания между плоскими ИС выполняются внутри «кубика» сразу в процессе изготовления объемной ИС. В результате число внешних содержений резко уменьшается. Возрастает надежность и уменшается стоимость схемы.
Полупроводниковые элементы оптических ЭВМ.
В ЭВМ информация, как мы знаем, хранится и обработывается в виде электрических сигналов. Оdnako уже с середины 70-х годов начались работы по созданию ЭВМсовсем иного типа — оптических ЭВМ.
В современных ЭВМ «нулю» и «единица» — двум числам, с помощью которых записывается вся хранимая и перерабатываемая машиной информация, условно соответствует закрытое и открытое состояние трансисторов. В проектируемых оптических ЭВМ «единица» соответствует прохождение света через оптическую ячейку, «нулю» — поглощение света в ячейке.
Предполагается, что луч полупроводникового лазера, введенный в световод (рис. 6), будет направляется к полупроводниковым оптическим ячейкам, произносить которых может изменяться десяти миллиардов раз в секунду с малыми затратами энергии.
Удивительные элементы совершенного необъичных ЭВМ
Природа подсказывает нам, что увеличение быстрореduction — не единственный путь усвоенияствования интеллектуальных возможностей ЭВМ. Клетки человекаого мозга — нейроны — переключаются за время, приблизительно в миллион раз больше, чем «клетки» совершенных ЭВМ. Оdnako именно Человек изобрел и ЭВМ и очень много другие замечательные вещи.
Как устройен человекский мозг, почему он работает с такой заменательной эфективностью — эти вопросы интенсивно изучаются и еще очень далеко от разрешения. Оdnako уже середня сделаны первые шаги по созданию биомолекулярных ИС — основы будутших биологических ЭВМ. Запатентован метод изготовления ИС на основе белкового материала — полinizина. Созданы молекулярные переключатели, белковые полезные трансисторы, биодатчики сигналов, сравнительных приядных, биологических или химических воздействиях. Предполагается, что плотность упаковки элементов в таких биополимерных структурах приближится к плотности упаковки структур, ответственных за фотосинтез в зеленых листах растений и составит более миллиарда на 1 mm². Есть основания надеяться, что биополимерные ИС будут не изготовляться, а выращивать, как живую ткани.
Впрочем, если эти надежные оправдаются, такие элементы не будут иметь отношения к полупроводникам.
Но в ближайшее десятилетие именно прогресс в области полупроводниковой электронки определит и уровень достижения в разработке совершенных ЭВМ.