Алмазы в компьютерах

Не исключено, что через несколько лет на персональных компьютерах появятся надписи, аналогичные тем, что наносят сейчас на часовые механизмы. Только вместо едва заметных между блестящими вращающимися шестеренками слов «На 17 камнях» наши электронные домашние помощники будут помечены табличками «На алмазной основе». И хотя сегодня до этого еще далеко, первые шаги к таким «драгоценным» вычислительным устройствам уже делаются в крупнейшем центре ядерных исследований Соединенных Штатов - Ливерморской национальной лаборатории Лоренса неподалеку от Сан-Франциско.
Если говорить конкретнее, здесь трудятся над разработкой полупроводников на алмазной основе. По мнению ученых, эта технология заменит производство микросхем на кремниевой базе и позволит создавать исключительно быстрые и термоустойчивые полупроводниковые приборы высокого напряжения.
«Это не бесплодные мечты, - говорит один из участников работы Дэймон Джексон, который сидит за микроскопом, внимательно рассматривая в окуляр натуральный алмаз ценой 1500 долларов, покрытый спиралью крохотных электронных схем. – Как вы знаете, обычный компьютерный чип – это маленькая пластинка кремния, покрытая миллионами транзисторов - крошечных переключателей, составляющих вместе «мозг» компьютера. Через транзисторы пропускается электрический ток, который их нагревает и потому ограничивает возможности современных вычислительных устройств. Так вот для того, чтобы избавить полупроводниковые чипы от этого недостатка, мы и хотим «поженить» электронику с одним из самых прекрасных драгоценных камней».
Как только Джексон помещает на свои алмазы электронные схемы, он посылает их в университет Бирмингема в штате Алабама, где профессор Иоджеш Вохра запатентовал процесс выращивания искусственных алмазов, смешивая в очень горячей микроволновой печи метан и другие газы. Вохра наносит на драгоценный ливерморский камень искусственный алмазный слой, создавая нечто вроде минерального бутерброда.
Такие алмазные микросхемы сохраняют работоспособность при температуре до 1000 градусов Цельсия, в то время как температурный предел обычных кремниевых микросхем составляет лишь 150 градусов. Это означает, что микросхемы на основе алмаза могут работать со значительно большей частотой или более высокой скоростью, а также могут функционировать в более высокотемпературной среде, например, в двигателях внутреннего сгорания или на искусственных спутниках Земли и межпланетных станциях.
Алмаз выдерживает электрическое напряжение около 200 вольт, а кремниевый электронный компонент – в десять раз меньше. Поэтому размеры использующих алмазные чипы силовых электронных приборов станут значительно меньше. Сейчас для работы с высоким напряжением применяются комплексы кремниевых микросхем, состоящие из большого числа кристаллов, что приводит к увеличению размеров соответствующих устройств.
На алмазной основе можно будет создать и электроды плоскопанельных дисплеев. Они могут испускать большее число электронов, а следовательно, жизненный цикл устройств на базе таких электродов станет значительно более продолжительным, чем у устройств с кремниевой технологией.
К сожалению, не стоит ожидать, что алмазные микросхемы полностью заменят кремниевые уже в течение ближайшего десятилетия. Тому есть две основные причины. Первая связана со стоимостью. Несмотря на то, что уже разработаны искусственные алмазы для микросхем, даже они еще слишком дороги. Подложка размером четыре квадратных миллиметра стоит несколько сот долларов, тогда как кремний обходится почти даром.
Но хотя цена таких чипов поистине устрашает, ученые надеются, что новые методы получения искусственных алмазов понизят затраты. «Как всегда, начальная стоимость огромна, - говорит Джексон из Ливерморской лаборатории. – Но как только это заработает, стоимость резко упадет».
Кроме того, очень непросто заставить алмаз проводить электрический ток, и сейчас инженеры пытаются найти вещества-присадки, которые при включении в состав драгоценного камня обеспечили бы передачу им электричества.
Пытаясь преодолеть эти трудности, ученые одновременно работают над использованием других перспективных материалов, кроме алмаза, включая различные составы на основе углерода. Им приходится торопиться, чтобы поспеть создать новые устройства до того времени, когда на пути закона Мура, гласящего, что мощность вычислительных систем в мире удваивается каждые два года, встанут объективные законы физики.
«Мы участвуем в международной гонке по развитию новых технологий, которые позволят поддержать тот прогресс полупроводниковых устройств, наблюдаемый нами вот уже около сорока лет», - сказал недавно президент Ассоциации полупроводниковой промышленности Соединенных Штатов Джордж Скализ.