Какими станут флэш-карты памяти в будущем?

Ещё совсем недавно мир персональных компьютеров было невозможно себе представить без магнитных дискет: на протяжении полутора десятков лет они являлись не просто широко распространённым, но и практически единственным универсальным стандартным элементом внешней памяти. Однако сегодня дискета окончательно и бесповоротно ушла в прошлое: в подавляющем большинстве современных компьютеров уже и дисководов-то соответствующих нет. На смену дискете пришли полупроводниковые карты флэш-памяти. Их преимущества несомненны: достаточно сказать, что по ёмкости одна такая карта эквивалентна сотням и даже тысячам дискет. Кроме того, карты флэш-памяти гораздо надёжнее и долговечнее дискет, они допускают сотни тысяч циклов записи/стирания и могут хранить информацию на протяжении десятков лет. Наконец, эти карты намного компактнее дискет, причём миниатюризация продолжается. В частности, группа немецких исследователей предложила недавно использовать для производства карт флэш-памяти новый материал – соединение окислов стронция и титана. Впрочем, главной особенностью этого вещества, делающей его ценным сырьём для компьютерной отрасли, является не столько химический состав, сколько кристаллическая структура. Вообще такая структура, отвечающая формуле ABX3, присуща минералу перовскиту (его формула CaTiO3) и широко распространена в природе. И сам перовскит, и большинство других соединений этого же типа являются диэлектриками, то есть изоляторами. Однако специальная термообработка в вакуумной печи позволяет превратить такие кристаллы в проводники. Кшиштоф Шот (Krzysztof Szot), сотрудник Научно-исследовательского центра в Юлихе, держа в руке два образца – один до пребывания в печи, другой после, – объясняет:

Как видите, не подвергшиеся обработке кристаллы прозрачны. Они имеют совершенную структуру, все атомы расположены строго упорядоченно в узлах кристаллической решётки. После специальной обработки кристаллы теряют прозрачность, зато обретают электрическую проводимость.

Это действительно бросается в глаза: побывав в печи, образцы обретают тёмно-синий, почти чёрный цвет. Но главное – в другом: учёные нашли способ менять состояние кристалла с проводящего на непроводящее и обратно. Ведь именно так и работает обычный транзистор: в любой данный момент времени он может находиться лишь в одном из двух состояний – открытом или запертом, – но благодаря чрезвычайно малой инерционности способен совершать ежесекундно многие миллиарды переходов из одного состояния в другое. Открытое состояние транзистора принято считать единицей, запертое – нулём. Это и есть тот самый двоичный код, на основе которого функционирует любой компьютер.

Это означает, что в будущем возможно создание микросхем, элементов памяти, способных локально изменять свою электрическую проводимость в строго определённых зона, то есть накапливать информацию, –

говорит Вольфганг Шпайер (Wolfgang Speier), коллега Шота по Научно-исследовательскому центру в Юлихе. Вместе с профессором Райнером Вазером (Rainer Waser) из Рейнско-Вестфальской высшей технической школы в Ахене он пытается выявить ту минимальную пространственную зону, которая необходима для накопления данных. Основное внимание учёных обращено на дефекты кристаллической структуры стронциевого перовскита. Дело в том, что вдоль так называемых дислокаций – своего рода тончайших трещин, пронизывающих весь кристалл, – легко могут перемещаться атомы кислорода, причём чем больше кислорода из такой дислокации уходит, тем лучше она проводит ток. Та самая специальная термообработка, которая придаёт кристаллу перовскита электрическую проводимость, и состоит, собственно, в том, чтобы создать внутри кристалла как можно больше тончайших проводящих жил. Инженерам из Юлиха и Ахена удалось разработать методику, позволяющую управлять свойствами каждой отдельной жилы, меняя количество кислорода в ней:

То есть тут имеется возможность добавить, внедрить кислород, или наоборот, убрать, откачать его. И тем самым открыть или запереть зону проводимости. В этом, собственно, и состоит весь трюк. Это что-то вроде пробки или заглушки: добавил кислород – и перекрыл цепь, ток больше не идёт, откачал кислород – и получил проводящий канал, ток снова пошёл.

Таким образом, каждый такой канал представляет один бит информации. Нуль или единицу. Главное же достоинство предложенного элемента памяти заключается в том, что его толщина составляет лишь несколько атомов. Вольфганг Шпайер говорит:

Чем меньше участки, тем быстрее и эффективнее можно управлять их проводимостью, перемещая туда-сюда кислород. Таким образом, очень незначительными операциями на крайне малых расстояниях мы можем кардинально изменять электрические свойства кристалла и тем самым влиять на протекающие через него токи.

Конечно, работы ещё далеко не завершены. Исследователям предстоит значительно повысить плотность дислокаций в кристалле перовскита и добиться их упорядоченного расположения. Но Кшиштоф Шот уверен, что путь выбран правильный:

Таким образом нам удастся добиться того, о чём сегодня мечтают все компьютерщики: создать элемент памяти, обеспечивающий плотность записи в 1 терабит на квадратный дюйм.

Весьма интересные разработки ведёт и другая группа немецких учёных – сотрудники Института печатных и медийных технологий при Техническом университете в Хемнице. Наша цель состоит в том, – говорит Ульрих Хан (Ulrich Hahn), ведущий специалист Института в области полиграфии, –

чтобы с помощью стандартных методов печати, обеспечивающих очень высокие скорости, а потому весьма экономичных, производить в массовом количестве электронные компоненты.

Попытки нанесения на основу ряда проводящих и полупроводниковых полимеров в виде жидкого раствора посредством модифицированного струйного принтера предпринимались уже не раз, и даже не без успеха. Однако о широком использовании типографской технологии в электронном производстве пока речь не шла. Между тем, это вполне возможно, – считает Ульрих Хан. Он делает ставку на стандартное полиграфическое оборудование, только вместо типографских красок оно должно наносить на основу растворы разных полимеров. Чтобы получить таким способом обычный транзистор, необходимо нанести четыре слоя полимера – сперва проводящий, затем полупроводниковый, потом изолирующий и, наконец, снова проводящий. Звучит просто, но на практике сопряжено с рядом трудностей. Одна из них заключается в необходимости подбора специальных рецептур, которые позволяли бы получать полимеры нужной консистенции – не слишком вязкие и не слишком текучие, – не меняя их электрофизических свойств. Ещё одна сложность состоит в том, что различные полимеры требуют различных способов печати. Ульрих Хан говорит:

Прежде всего, это касалось проводящих полимеров. В том виде, в каком они производятся и поставляются химической промышленностью, они совершенно непригодны для печати – по крайней мере, офсетной. Поэтому нам пришлось разработать собственную рецептуру, которая подходила для этой технологии. Что же касается полимеров-полупроводников, то они обладают очень низкой вязкостью и благодаря этому легко могут быть нанесены на основу способом глубокой печати.

А сразу после того, как слой полупроводникового полимера нанесён, он должен быть покрыт слоем изолирующего полимера. Каждая из операций требует своей технологии. Поскольку же офсетная, то есть плоская печать, существенно отличается от глубокой и высокой печати, инженеры лаборатории в Хемнице вынуждены по нескольку раз в день переналаживать оборудование. Итогом их усилий стали электронные схемы на основе полимеров, полученные с помощью выпускаемых серийно типографских машин. Правда, по степени быстродействия они значительно уступают аналогам на основе кремния. Так что о вычислительной технике на базе таких полимерных схем в обозримом будущем нечего и мечтать, – признаёт Ульрих Хан, но тут же добавляет:

Однако более простые сферы применения, вроде производства этикеток радиочастотной идентификации, могут быть освоены в ближайшие годы.

Ульрих Хан имеет в виду те электронные бирки, о которых мы недавно подробно рассказывали в передаче, посвящённой ганноверской ярмарке телекоммуникационных технологий CeBIT-2006. Эти этикетки на основе микросхем должны, по замыслу разработчиков, уже вскоре полностью вытеснить вездесущие сегодня штрих-коды. Проблема в том, что пока этикетки радиочастотной идентификации на основе привычного кремния обходятся слишком дорого – от 15-ти до 30-ти центов за штуку. Конечно, такая цена не может служить препятствием для размещения электронных бирок на холодильниках, телевизорах или даже предметах верхней одежды, но, скажем, для банки пива или стаканчика йогурта эта цена неприемлема, поскольку соизмерима со стоимостью самого товара. Вот тут-то и может пригодиться технология типографской печати полимерных микросхем, предложенная инженерами из Хемница. Ещё одну возможную область применения своей разработки её авторы видят в том, чтобы снабдить напечатанными полимерными микросхемами столь популярные среди подростков карточки с изображением героев компьютерных игр. Эти карточки, и без того являющиеся сегодня объектом собирательства, станут ещё более привлекательными для тинэйджеров, если благодаря нанесённым на них электронным схемам фигурки обретут способность непосредственно принимать активное участие в игре. Впрочем, напечатанные полимерные схемы могут быть использованы и во многих других сферах, – полагает Ульрих Хан:

У нас есть целый ряд относительно простых задач, которые могут быть решены на основе электропроводящих полимеров. Например, производство компьютерных клавиатур. А недавно нам удалось с помощью лишь слегка модифицированной типографской технологии напечатать осциллятор.

Осциллятор – это система, совершающая колебания. Электромагнитный колебательный контур способен, например, производить воспринимаемые человеческим ухом звуки. То, что подобная система может быть просто напечатана типографским способом, эксперты считают прорывом. Однако почивать на лаврах немецким инженерам не приходится. Конкуренция не дремлет. Японские исследователи представили недавно изготовленную с использованием сходной технологии светочувствительную плёнку. И даже на театральных и концертных билетах уже начали в порядке эксперимента печатать электронные схемы – в качестве дополнительной меры защиты от подделки.

Правда, пока не очень понятно, какое будущее ждёт полупроводниковую отрасль в целом, потому что тот самый закон Мура, которому всё её развитие подчиняется на протяжении вот уже сорока лет, грозит вскоре натолкнуться на непреодолимый барьер, связанный с законами природы и фундаментальными физическими свойствами полупроводниковых материалов. Согласно этому эмпирический закону, сформулированному одним из основателей компании «Intel» Гордоном Муром (Gordon Moore) ещё в 1965-м году, вычислительная мощность процессоров удваивается каждые полтора года. До сих пор всё так и было, но ведь материя состоит из атомов, так что миниатюризация имеет естественные пределы. Правда, пока полупроводниковая отрасль успешно преодолевала возникавшие трудности. Но проблемы нарастают. Ведь рост вычислительной мощности процессоров означает увеличение количества транзисторов на одной микросхеме, а значит – уменьшение их размеров. Такое усложнение структуры ведёт к дальнейшему усложнению производства. Изготовление современной интегральной микросхемы – это высокоточный фотолитографический процесс, состоящий из нескольких этапов. Сначала выращивается подложка – монокристалл кремния, из которого вырезается диск диаметром 8, а в последнее время всё чаще 12 дюймов. На этой подложке слой за слоем создаётся сложнейший рисунок полупроводниковой структуры в строгом соответствии с имеющимися наборами масок-трафаретов. Такие маски, представляющие собой что-то вроде диапозитивов на пластинах из кварцевого стекла, играют в процессе производства микросхем ключевую роль: они определяют, какие участки будущего микропроцессора в ходе последующего травления и ультрафиолетового облучения должны быть удалены, а какие нет. Ян Хендрик Петерс (Jan Hendrik Peters), глава научно-исследовательского отдела созданного недавно в Дрездене Центра передовых технологий производства масок, говорит:

Если взять микропроцессоры самого последнего поколения, над созданием которых мы сейчас работаем, то для их производства нам понадобится нанести от 55-ти до 60-ти слоёв. Нынешний стандарт – слоёв 40. То есть уже сегодня для производства одного микропроцессора мне требуется 40 фотошаблонов, и любая ошибка, любой дефект хотя бы в одном из них приведёт к тому, что конечная продукция окажется бракованной.

Сегодня нормой считаются структурные элементы микропроцессора шириной в 90 нанометров. Однако дальнейшая миниатюризация требует использования всё более коротковолнового излучения в фотолитографии. Видимо, вместо применяемого сегодня глубокого ультрафиолетового излучения придётся перейти на сверхжёсткое ультрафиолетовое излучение. Пока, правда, инженеры придумывают всё новые трюки, позволяющие отсрочить этот переход и получать структуры размером всего в одну треть длины волны формирующего их света, что, строго говоря, должно быть в принципе невозможно, если верить учебникам оптики. Ян Петерс поясняет:

Последняя инновация в этой области – так называемая иммерсионная фотолитография. Имеется в виду вот что: между последней линзой оптической системы и облучаемой подложкой вводится слой воды. Это значительно увеличивает оптическое разрешение и глубину резкости, что позволяет гораздо дальше продвинуться по пути миниатюризации, чем это казалось возможным ещё несколько лет назад. Многие эксперты полагают, что иммерсионная фотолитография позволит получать структуры шириной в 30 нанометров, если воду заменить жидкостями с высоким показателем преломления. То есть переход на сверхжёсткий ультрафиолет снова откладывается.

Откладывается, но не отменяется. И тогда возникнут новые проблемы. Например, кварцевое стекло для света с такой длиной волны уже не прозрачно, значит, вместо нынешних фотошаблонов-диапозитивов придётся использовать зеркальные маски. Но и это не всё:

Оперируя излучением с длиной волны в 13,5 нанометра и используя его потенциал полностью, я получу структуры таких размеров, про которые вообще никто не знает, действуют ли тут принципы, положенные в основу современного дизайна микросхем. То есть перспективы вроде бы открываются многообещающие, но как справиться с техническими проблемами, пока неясно.

Действительно, треть длины волны – 4 нанометра – это отрезок, на котором умещаются всего лишь 17 атомов кремния. Туннельный эффект, паразитные ёмкости, естественное фоновое излучение и ряд других факторов начинают играть здесь всё более важную и пока непредсказуемую роль.