ΕΠΙΣΤΗΜΗ

Η επόμενη γενιά μικροεπεξεργαστών

i-epomeni-genia-mikroepexergaston-2001772

Oταν το 1965 ο Γκόρντον Ε. Μουρ υποστήριξε ότι ο αριθμός των τρανζίστορ που θα μπορούν να τοποθετηθουν πάνω σε ένα τσιπ σιλικόνης θα διπλασιάζονται ανά δεκαοκτώ μήνες, οι επικριτές του διατύπωσαν την άποψη ότι η εποχή που θα ίσχυε ο «Νόμος του Μουρ», όπως τον αποκάλεσαν, γρήγορα θα ανήκε στο παρελθόν.

Πιο πρόσφατα, οι επικεφαλής της βιομηχανίας προεδοποιούν ότι η εξελικτική πορεία της βιομηχανίας των ημιαγωγών τείνει να παγώσει και η θεωρία του δόκτορος Μουρ, συνιδρυτή της Intel, σύντομα θα πάψει να ισχύει. Αν πράγματι συμβαίνει αυτό, οι συνέπειες για τον κόσμο των ηλεκτρονικών υπολογιστών θα είναι δραματικές. Η καινοτομία που οδήγησε στους προσωπικούς υπολογιστές, στις διάφορες συσκευές αναπαραγωγής μουσικής και στα «έξυπνα» κινητά συνδέεται άρρηκτα με το διαρκώς μειούμενο κόστος των τρανζίστορ, που σήμερα μπορούν να τοποθετηθούν ανά δισεκατομμύρια πάνω σε ένα απειροελάχιστων διαστάσεων τσιπ σιλικόνης και που πωλείται για ελάχιστα δολάρια.

Νανοϋλικά

Ομως η θεωρία του δόκτορος Μουρ δεν έχει πεθάνει, αλλά εξελίσσεται, τονίζουν οι πιο αισιόδοξοι επιστήμονες και μηχανικοί. Μάλιστα, αυτοί υποστηρίζουν ότι θα καταφέρουν να δημιουργήσουν κυκλώματα τα οποία θα προσεγγίζουν σε κλίμακα τα μεμονωμένα μόρια, καθώς πρόκειται να χρησιμοποιήσουν μία νέα γενιά νανοϋλικών, μέταλλα, κεραμικά, πολυμερή και σύνθετα υλικά τα οποία μπορούν να οργανωθούν κατά τις προσδοκίες των κατασκευαστών. Οι σχεδιαστές ημιαγωγών, παραδείγματος χάρη, αναπτύσσουν χημικές διαδικασίες οι οποίες θα καταστήσουν εφικτή την αυτοσυναρμολόγηση των κυκλωμάτων, εξαναγκάζοντας τα πρωτοποριακά υλικά να δημιουργήσουν πρότυπα με υπερβολικά λεπτά καλώδια πάνω σε ένα λεπτό κομμάτι ημιαγωγού. Ο συνδυασμός αυτών των προτύπων νανοσυρματώσεων με τις συμβατικές τεχνικές κατασκευής μικροτσίπ, σύμφωνα πάντα με τους επιστήμονες, θα οδηγήσει σε μία νέα κατηγορία επεξεργαστών για κομπιούτερ, κρατώντας τον «Νόμο του Μουρ» ζωντανό και ταυτόχρονα μειώνοντας το μελλοντικό κόστος της κατασκευής μικροεπεξεργαστών. Για να συμβεί αυτό θα πρέπει οι κατασκευαστές των ημιαγωγών να περάσουν από την εποχή της σιλικόνης στην εποχή των υπολογιστικών υλικών (computational materials).

Η μεγάλη αλλαγή

Aυτή η κατηγορία υλικών που αναπτύσσεται στον συγκεκριμένο τομέα πρόκειται να του δώσει νέα πνοή μέσα στην επόμενη δεκαετία.
«Τα υλικά είναι πολύ σημαντικά στις ανθρώπινες κοινωνίες», εξηγεί ο Σουτσένγκ Ζανγκ, φυσικός του Πανεπιστημίου Στάνφορντ, ο οποίος πρόσφατα συντόνισε ομάδα ερευνητών που κατασκεύασαν ένα κράμα κασσιτέρου με ιδιότητες υπεραγωγιμότητας σε θερμοκρασία δωματίου. «Ολόκληρες εποχές έλαβαν το όνομά τους από τα υλικά που χρησιμοποιούνταν από τις ανθρώπινες κοινωνίες: η εποχή του λίθου, του σιδήρου… Σήμερα βρισκόμαστε στην εποχή της σιλικόνης. Οταν θα αποκτήσουμε τη δυνατότητα να προβλέπουμε τα υλικά του μέλλοντος, πιστεύω θα επέλθει η μεγάλη αλλαγή».

Δαπάνες-μαμούθ για τα εργοστάσια

Κινητήριος δύναμη της έρευνας είναι τα οικονομικά. Και ειδικότερα το κόστος που οι κατασκευαστές των ημιαγωγών αναμένουν να πληρώσουν για τα εργοστάσια της επόμενης γενιάς. Στον βιομηχανικό τομέα, αυτό είναι γνωστό ως ο «δεύτερος νόμος του Μουρ».

Εντός μιας διετίας τα εργοστάσια που θα κατασκευάζουν μικροεπεξεργαστές θα κοστίζουν από οκτώ έως δέκα δισεκατομμύρια δολάρια, σύμφωνα με πρόσφατη έκθεση, δηλαδή περισσότερο από το διπλάσιο απ’ όσο κοστίζουν τα εργοστάσια που κατασκευάζουν μικροεπεξεργαστές της σημερινής γενιάς. Στα τέλη της δεκαετίας, το ποσό μπορεί να ανέρχεται σε δεκαπέντε έως είκοσι δισεκατομμύρια δολάρια, όσο δηλαδή το Ακαθάριστο Εγχώριο Προϊόν ενός μικρού κράτους.

Οι υπέρογκες δαπάνες, που σύντομα θα απαιτούνται, σημαίνουν ότι ο κίνδυνος λάθους για τις κατασκευάστριες εταιρείες θα είναι τεράστιος. Ετσι, αντί να επενδύουν σε ακριβές συμβατικές τεχνολογίες που τελικά μπορεί να αποτύχουν, οι ερευνητές στρέφονται προς τα νέα αυτοσυναρμολογούμενα υλικά.

Το, Δεκέμβριο, ερευνητές στο Sandia National Laboratories δημοσίευσαν στο περιοδικό Science μία μελέτη στην οποία περιγράφουν μία νέα κατηγορία υλικών: τα «μεταλλοργανικά πλαίσια». Εχει αποδειχθεί πειραματικά ότι αυτά τα καινούργια υλικά τα καταφέρνουν θαυμάσια με τα νέα υπερκομπιούτερ. Στην πραγματικότητα, πρόκειται για κρυσταλλικά σύνολα μεταλλικών ιόντων και οργανικών μορίων. Οι επιστήμονες απέδειξαν ότι μπορούν να κατασκευάσουν λεπτά αγώγιμα φιλμ τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πλήθος νέων εφαρμογών, όπως φωτοβολταϊκά, αισθητήρες και ηλεκτρονικά υλικά.
Πιστεύουν ότι τώρα θα μπορέσουν να αναπτύξουν περαιτέρω τα τεχνολογικά τους επιτεύγματα πέρα από την κατασκευή αγώγιμων υλικών στην κατασκευή ημιαγωγών. Ο δρ Αλεντόρφ, χημικός της Sandia, τονίζει ότι είναι πολύ λίγα αυτά τα οποία μπορεί να κάνει κανείς με τους συμβατικούς ημιαγωγούς προκειμένου να αλλάξει τη συμπεριφορά ενός υλικού.

Το μέλλον

Με τα μεταλλοργανικά πλαίσια οραματίζεται ένα μέλλον στο οποίο τα μόρια θα μπορούν να δημιουργούν υλικά με ειδικές συμπεριφορές. Τον Νοέμβριο, οι επιστήμονες στο SLAC National Accelerator Laboratory περιέγραφαν στη μελέτη τους, η οποία δημοσιεύεται στην επιθεώρηση Physical Review Letters, μια νέα μορφή κασσίτερου, με πάχος μόλις ενός μορίου, που είναι καλός αγωγός ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου. Η απόδοσή του είναι 100%. Το υλικό θα μπορούσε να είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα μιας νέας κατηγορίας υλικών, των λεγομένων τοπολογικών μονωτών, που έχουν υψηλή αγωγιμότητα στην επιφάνειά τους ή σε μία πλευρά τους, αλλά είναι μονωτικοί στο εσωτερικό τους. Οι ερευνητές, υπό την καθοδήγηση του δρος Ζανγκ, ονόμασαν το νέο υλικό stanene και η μεγάλη του υπόσχεση είναι ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί συνδυαστικά με τις σημερινές διαδικασίες κατασκευής μικροτσίπ ώστε να αυξήσει την ταχύτητα και να περιορίσει την ενεργειακή κατανάλωση των μελλοντικών γενεών ημιαγωγών.

Ωστόσο, οι θεωρητικές προβλέψεις που έχουν γίνει για το συγκεκριμένο υλικό πρέπει να επιβεβαιωθούν πειραματικά, εξηγεί ο δρ Ζανγκ. Η σχετική έρευνα πραγματοποιείται σε Γερμανία και Κίνα, όπως, εξάλλου, και σε ένα εργαστήριο του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας.

Το στοίχημα της Σίλικον Βάλεϊ

Σήμερα, στην πρωτοπορία της νέας γενιάς μικροεπεξεργαστών, βρίσκονται ερευνητές στη Σίλικον Βάλεϊ οι οποίοι χρησιμοποιούν τους υπερισχυρούς ηλεκτρονικούς υπολογιστές για να δημιουργήσουν τα πρότυπα των προβλέψεών τους.

Είναι πολύ πιθανό η επανάσταση των νέων υλικών να ανοίξει τον δρόμο για φθηνότερους επεξεργαστές ηλεκτρονικών υπολογιστών. Αυτό ακριβώς είναι και το στοίχημα του αμερικανικού τεχνολογικού κολοσσού, της ΙΒΜ. Η εταιρεία τώρα πειραματίζεται με πραγματικά «εξωτικά» πολυμερή, που άμεσα δημιουργούν ένα υπέρλεπτο ιστό και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να δημιουργήσουν κυκλώματα σε κομμάτια ημιαγωγών από  σιλικόνη. Ο δρ Ναραγιάν είναι συγκρατημένα αισιόδοξος, υποστηρίζοντας ότι τέτοιες πρακτικές αυτοσυναρμολόγησης θα εξαλείψουν την ανάγκη επενδύσεων σε νέες λιθογραφικές μηχανές που χρησιμοποιούν ακτίνες Χ για να σχηματίσουν μικρότερα κυκλώματα και έχουν συνολικό κόστος άνω των 500 εκατομμυρίων δολαρίων.