Ученые нашли фундаментальную ошибку в теории транзисторов
Производители и разработчики чипов в опасности – теория, которая помогала проектировать и производить полупроводниковые схемы все меньших и меньших размеров, оказалась ошибочной. Так, по крайней мере, считают ученые из Национального института стандартов и технологий США (NIST – National Institute of Standards and Technology), которые обнаружили, что по мере уменьшения размеров транзистора частота флуктуаций состояния перестает возрастать.
За многие десятилетия конструкторы интегральных полупроводниковых схем создали стройную и четкую теорию отклонений в поведении транзисторов. Теория, известная под названием «модель эластичных туннелей» до последнего времени точно описывала характер «транзисторного шума». Явление «транзисторного шума» связано с тем, что с уменьшением размеров каждый транзистор начинает вести себя не совсем так, как надо. Посторонние включения в материале полупроводника, как гласит эта теория, вызывают утечку тока через закрытые затворы транзисторов или увеличение сопротивления транзистора в открытом состоянии. Вообще современные полупроводниковые схемы изготавливаются из материалов небывалой степени чистоты, но совершенно избавиться от посторонних включений практически невозможно.
Группа ученых из NIST, а также из университетов Мэриленд Колледж-Парк (University of Maryland College Park) и Ратгерс (Rutgers University) провели серию экспериментов, которые статистически достоверно показали, что даже при использовании нанометровой технологии изменение частоты флуктуаций перестает подчиняться законам, которые точно соблюдались на более крупных размерах. Стабилизация частоты флуктуаций может стать серьезным препятствием в проектировании и производстве будущих электронных компонентов, которые будут еще меньше в размерах, чтобы снизить их энергопотребление. Пока транзисторы были большими, прогнозировать отклонения в их поведении было легко, но сейчас, когда размер каждого элемента может быть менее 30 нм, старая теория перестала работать, а новой еще не придумали.
Ученые из NIST под руководством Джейсона Кэмпбелла (Jason Campbell) считают, что их открытие показывает огромный масштаб проблемы, которая стоит на пути дальнейшей миниатюризации электронных компонентов. Сам Кэмпбел указывает, что первым несоответствие теоретического и фактического транзисторного шума заметил его коллега Чэн (K.P. Cheung). Если в ближайшее время не удастся создать теоретическую модель поведения нанотранзистора, то из-за непредсказуемого поведения элементов электроника будущего станет ненадежной, если вообще будет работать.
Так или иначе, современной науке будет наверняка по силам разрешить очередную прикладную задачу, хотя задача и невидима человеческому глазу. Другое дело, что последствия остановки в развитии электроники будут касаться всех людей – проблема непредсказуемости электроники останавливает создание коммуникаторов, работающих по неделе на одной зарядке, и кардиостимуляторов, способных по 20 лет поддерживать ритм сердца без смены батарей.
Доклад Кэмпбелла, Чэна и их коллег был представлен на отраслевой конференции «2009 IEEE International Conference on Integrated Circuit Design and Technology» в г. Остин (штат Техас, США).
