ГРАФЕН – БУДУЩЕЕ ЭЛЕКТРОНИКИ

Быстродействие транзисторов в компьютерных процессорах, по мере уменьшения их физических размеров, растет, но увеличение скорости переключения транзисторов приводит к большому тепловыделению. Растет многоядерность процессоров, но предел частоты в 4.4 ГГц уже не преодолеть со старыми полупроводниковыми технологиями. Частоту можно кратковременно разогнать, но это не решение проблемы. Это по сути топтание на одном месте и ставит развитие кремневой электротехники в тупик, хотя полупроводники будут использоваться еще не один десяток лет.

ГРАФЕН – БУДУЩЕЕ ЭЛЕКТРОНИКИ

УДК 621.396.99

Саранча Аркадий Михайлович

доцент, заведующий кафедры

Камчатский Государственный Технический Университет

кафедра судовождения, мореходный факультет

г. Петропавловск-Камчатский, Россия

E-mail: arkadiyms@mail.ru

Гиль Александр Михайлович,

курсант мореходного факультета

Камчатский Государственный Технический Университет

г. Петропавловск-Камчатский, Россия

Email: qttr97@gmail.com

GRAPHENE – FUTURE OF ELECTRONICS

Sarancha Arkady Mikhailovich

associate Professor, head of Department

Kamchatka State Technical University

Department of navigation, faculty of Maritime

Petropavlovsk-Kamchatsky, Russia

E-mail: arkadiyms@mail.ru

Gil Alexander Mikhailovich,

maritime faculty cadet

Kamchatka State Technical University

Petropavlovsk-Kamchatsky, Russia

Email: qttr97@gmail.com

АННОТАЦИЯ:

Быстродействие транзисторов в компьютерных процессорах, по мере уменьшения их физических размеров, растет, но увеличение скорости переключения транзисторов приводит к большому тепловыделению. Растет многоядерность процессоров, но предел частоты в 4.4 ГГц уже не преодолеть со старыми полупроводниковыми технологиями. Частоту можно кратковременно разогнать, но это не решение проблемы. Это по сути топтание на одном месте и ставит развитие кремневой электротехники в тупик, хотя полупроводники будут использоваться еще не один десяток лет.

АBSTRACT:

The speed of transistors in computer processors, as their physical size decreases, increases, but the increase in the speed of switching transistors leads to a large heat release. Multi-core processors are growing, but the 4.4 GHz frequency limit cannot be overcome with old semiconductor technologies. The frequency can be overclocked briefly, but this is not the solution. This is in fact trampling in one place and puts the development of silicon electrical engineering to a standstill, although semiconductors will be used for more than a decade.

Ключевые слова: транзистор, процессор, тактовая частота, графен, графеновые разработки

Keywords: transistor, processor, clock frequency, graphene, graphene development

Общеизвестно, что на 2018 год самым высокопроизводительным процессором является IntelCore i9-7980XE. Данный процессор семейства Intel Skylake-X создан по 14-нанометровойструктуре,  имеет 18 ядер (36 потоков) и тактовую частоту 2.6 ГГц (в режиме TurboBoost 4.4 ГГЦ).

Core-i9-7980XE

Рис. 1. Процессор Intel Corei9.

Современные транзисторы, как продемонстрировано на рисунке

2, существуют в разных вариациях – от огромных усилителей большой мощности размером с кулак до миниатюрных переключателей на кристалле процессора размером в десяток нанометров. Можно выделить две основные функции этого прибора в электрической цепи — это усиление и переключение.

Транзисторы

Рис. 2. Транзисторы

Мозгом сегодняшней электроники является процессор, представляющий из себя огромное множество транзисторов. С помощью процессора обрабатывается вся необходимая при помощи нулей и единиц соответственно. Последовательностями и наборами нулей и единиц, вырабатываемых множеством транзисторов, можно представлять буквы, числа, цвета и графические объекты.

http://www.buysellcomponents.com/file/2017/07/from-server-to-transistor-dive-into-the-complexity-of-ic-techno.jpg

Рис. 3. Работа транзисторов в процессоре.

Еще в начале 60-х один из основателей компании Intel Гордон Мур сформулировал так называемый «Закон Мура». Звучит он так:

«Каждые 24 месяца количество транзисторов, размещенных на кристалле интегральной схемы, удваивается» Иными словами необходимо увеличение количества переключений, но у всего есть свой предел. Так и для процессора количество транзисторов не бесконечно.

Пальма Первенства в решение проблемы лежит в открытии в 2004 году русскими учёными Андреем Геймом и Константином Новоселовым из Манчестерского университета графена. На нынешнем этапе времени открытие Новосёлова и Гейма является самым перспективным, в связи с предложением новейшего материала взамен зашедших в тупик кремниевых технологий. Будущее этого открытия сулит нам использование полупроводников с чрезвычайно высокой рабочей тактовой частотой.

Графенявляется формой углерода, которая подобна сотовой кристаллической решетке толщиной всего в один атом, обладающей высокой механической жесткостью и рекордно высокой теплопроводностью, а также, что немаловажно высокой подвижностью носителей заряда. Структура графена указана на рисунке 4.

http://www.jameshedberg.com/img/samples/graphene-simple.jpg

Рис. 4. Гексагональная решетка графена

У графена потрясающая электропроводимость. Батарея, которую создали ученые из Испании, имеет энергоемкость в сотни раз выше, чем у существующих батарей. Электромобиль с графеновым аккумулятором может проехать порядка тысячи километров без остановки. Зарядка электромобиля при полной разрядке аккумулятора займет не более 10-15 минут.

Разработчики находятся на пороге революционных открытий – они уже представили прототип нового запоминающего устройства, состоящего всего из одного слоя графена. Исследователи утверждают, что в новых экспериментальных модулях базовые ячейки хранения данных примерно в 40 раз меньше, чем ячейки, используемые в самых современных памяти. Структура данной технологии представлена на рисунке 5 и обладает потенциалом многократного увеличения емкости модулей памяти.Для кодирования 1 бита информации в графеновых модулях требуется в миллион раз меньше энергии, чем для кодирования того же бита в кремниевых чипах.

http://www.russianelectronics.ru/files/59336/grapheneflash.gif

Рис. 5. Флэш-память графена.

Разрабатываются и недорогие дисплеи для портативных устройств. Графен можно использовать вместо привычных материалов в электродах для дисплеев технологии OLED, как указано в рисунке 6. Во-первых, это позволяет снизить стоимость дисплея, а во-вторых, упрощает его утилизацию за счет исключения использования металлических элементов. Кроме того, графен пропускает до 98% света, а это значительно выше, чем передача лучших материалов современных дисплеев.

http://www.russianelectronics.ru/files/59336/grapheneOLED.jpg

Рис. 6. Структура графенового OLED-дисплея.

http://www.russianelectronics.ru/files/59336/Graphene_from_gases_for_new,_bendable_electronics_.jpg

Рис. 7.Дисплей с использованием графена.

В конечном итоге мы можем уверенно полагать, что на настоящий момент времени графеновые разработки, начало которым положено нашими учёными – соотечественниками Геймом и Новосёловым, обладают огромным потенциалом в развитии электроники и в ближайшем будущем будут являться полноправными заменителями кремниевых транзисторов во всех сферах их сегодняшнего применения. Сразу углеродные материалы не смогут заменить кремний в микроэлектронике в виду своей стоимости производства, но создание гибридных микросхем, в которых используются преимущества обоих материалов даст толчок к развитию электроники, а также энергетики, медицины и других сфер деятельности человека.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. К. С. Новосёлов, Графен: материалы Флатландии — УФН., 2011. — Т. 181. — С. 1299—1311
  2. А. К. Гейм, Случайные блуждания: непредсказуемый путь к графену — УФН. — 2011. — Т. 181. — С. 1284—1298
  3. А. Г. Алексеенко., Графен — Лаборатория знаний, 2017. С. 179
  4. Губин С. П., Ткачев С.В. Графен и родственные наноформы углерода – Либроком, 2012, С. 104.
  5. А. К. Гейм,  К. С. Новоселов, The rise of graphene , Nature Materials 6,  2007.  URL: https://www.nature.com/articles/nmat1849

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *