В 1965 г. журнал Electronics опубликовал статью сооснователя компании Intel Гордона Мура. В материале он сформулировал мысль, согласно которой каждые два года транзисторы в микрочипах с фиксированной площадью кристалла должны были вдвое уменьшаться, позволяя двукратно увеличивать их количество на схеме.
До определенного момента это наблюдение работало весьма точно, но сейчас, в 2025 г., это уже не так. Индустрия подошла к той точке, где срочно требуются новые идеи, поскольку кремний на пороге предела своих возможностей, и, судя по всему, решение, наконец, найдено. О том, какое именно — в материале.
GAAFET против ограничений кремния: архитектура нового поколения
Первые проблемы с кремнием начались на этапе преодоления 32-нм рубежа, когда еще использовались так называемые планарные транзисторы. В них канал, по которому движутся электроны, перекрывался затвором с одной стороны. При определенном масштабе миниатюризации принцип переставал работать — электроны продолжали проходить через затвор, даже когда он был активен.
Возникшую трудность решил профессор Калифорнийского университета Беркли, Чэньмин Ху, представив технологию FINFET (Fin Field-Effect Transistor). Транзистор стал трехмерным: проводящий канал вытянули вверх, как плавник, и обернули затвором уже с трех сторон. Остроумная идея, оказавшаяся настолько эффективной, что схема используется и сегодня, когда речь идет о производстве 4-нм кристаллов.
Однако при размерах меньше перестает справляться и FINFET, на смену которому уже подготовлен GAAFET (Gate-All-Around Field Effect Transistor). У него проводящий канал не только вытянут вверх, как у FINFET, но и разрезан на тонкие пластины или проволоки так, чтобы затвор окружал их со всех четырех сторон.
Подобные разработки, но с разным названием, есть почти у каждой лидирующей в сфере кремниевых технологий компании. Например, у Intel это RibbonFET, а у Samsung — MBCFET (Multi-Bridge Channel FET). Совсем скоро чипмейкеры перейдут к этому дизайну, оставив хорошо послуживший FinFET в прошлом.
Тем не менее нетрудно догадаться, что и GAAFET не хватит надолго, ведь это все тот же кремний, просто чуть иначе реализованный. В этой связи научные департаменты без исключения всех вендоров и стран, заинтересованных в том, чтобы оставаться в авангарде индустрии, ведут исследования в области поиска перспективных материалов для производства полупроводников. Один из таких нашли в Китае.
Висмут: управление спином и квантовое туннелирование
Итак, материал называется висмут (Bi) — это тяжелый металл за номером 83 в таблице Менделеева, но в отличие от ртути или свинца не токсичен. Его соединения — субцитрат и субсалицилат широко применяются в препаратах, борющихся с расстройствами желудка, так как обладают выраженными антисептическими свойствами.
Для процессорной индустрии он интересен другим: поскольку атом элемента тяжелый — с массой в семь раз выше кремния, его электроны вращаются близко к ядру и проявляют мощное спин-орбитальное взаимодействие.
Для транзистора это хорошо тем, что помимо управления зарядом, как в кремниевых образцах, с электроном висмута можно работать еще и с помощью спина: пропускать его через затвор только при нужной комбинации первого и второго. Это дает значимо более точный контроль над электроном и уменьшает его квантовое туннелирование или, говоря проще, утечку тока.
Несмотря на все преимущества, есть одна проблема, причем фундаментального характера: висмут — это металл, то есть проводник в чистом виде. Трансформировать его в полупроводник удалось, прибегнув к соединению оксиселенита висмута (Bi2O2Se). Получился тонкий лист толщиной в несколько атомов, ну а дальше все как в GAAFET: этих листов несколько, и каждый оборачивается вокруг затвором.
Примечательно еще и то, что межсоединения, объединяющие логические транзисторные блоки, сделаны из графена (C n), а собрана вся конструкция на подложке из обычного диоксида кремния (SiO2). В итоге при помощи висмута удалось достичь феноменальных показателей:
- напряжение включения транзистора — 0,5 В против 0,7 В для кремниевых аналогов;
- увеличенное до 40% быстродействие за счет более высокой подвижности электронов висмута;
- энергопотребление до 10% ниже, чем у передовых решений TSMC и Samsung;
- миниатюризация вплоть до 0,5 нм при стабильной работоспособности за счет снижения квантового туннелирования, что категорически недоступно для кремния.
Китай, висмут, индустриальные перспективы
Интенсивные исследования висмута в Китае обусловлены тем, что в КНР сосредоточено порядка 80% месторождений материала, следовательно, это не только перспективно в сфере процессоростроения, но и открывает возможности для монополизации и суверенизации полупроводникового бизнеса.
Помимо прочего, это еще и на руку коммунистической партии Китая в разрезе ее отношений с островом Тайвань, на котором развернуты главные заводы TSMC, оценивающиеся в почти $1 трлн и производящие полупроводники практически для всех крупных чипмейкеров.
Технология многообещающая, но стремительного перехода к ней ждать пока не стоит, поскольку все производственные линии сейчас адаптированы для кремниевых транзисторов. Для массового производства потребуются многомиллиардные вложения и масштабные пусконаладочные работы, что займет годы.
Таким образом, висмут — это одна из многих разработок, отложенных на перспективу длиной около 10 лет. Параллельно работы ведутся и с другими материалами:
- дисульфидом молибдена (MoS₂);
- дисульфидом вольфрама (WS₂);
- графеном (Cn);
- гафнием (HfO₂);
- германием (Ge);
- арсенидом галлия (GaAs);
- гексагональным нитридом бора (h-BN).
Подытоживая, Китай и его висмут — далеко не единственные участники гонки за лидерством в новой эре микротранзисторов. Победит наиболее стабильный, а главное, коммерчески выгодный вариант. Какой именно — ответит время.