Новый класс материалов поддержит закон Мура

Прогресс в области интегральных схем измеряется соответствием, превышением или отставанием от скорости, установленной Гордоном Муром, бывшим генеральным директором и соучредителем Intel, который сказал, что количество электронных компонентов, или транзисторов на одну интегральную схему, примерно удваивается каждый год. Это было более 50 лет назад, и неожиданно его предсказание, получившее название закона Мура, сбылось.

В последние годы считалось, что темп замедлился. Одна из самых больших проблем при размещении большего количества цепей и мощности на меньшем чипе - это охлаждение.

Многопрофильная группа, в которую входят Патрик Э. Хопкинс (Patrick E. Hopkins), проф. факультета механической и аэрокосмической техники Университета Вирджинии, и Уилл Дихтель (Will Dichtel), проф. химического факультета Северо-Западного университета, изобретает новый класс материалов, способных удерживать микросхемы холодными, по мере того как они продолжают уменьшаться в размерах, - и помогать закону Мура оставаться верным. Их работа недавно была опубликована в журнале Nature Materials.

Электроизоляционные материалы, которые минимизируют электрические перекрестные помехи в микросхемах, называются диэлектриками с низким k. Этот тип материала - скромный герой, который делает возможной всю электронику, управляя током, чтобы устранить искажения сигнала и помехи; в идеале он также может отводить от схемы вредное тепло, вызванное электрическим током. Проблема нагрева становится экспоненциальной по мере того, как микросхема становится меньше, потому что количество транзисторов не только увеличивается, что вызывает больше тепла в той же области, но и они располагаются ближе друг к другу, что затрудняет рассеивание тепла.

«Ученые искали диэлектрический материал с низким k, который мог бы справиться с проблемами теплопередачи и пространства, присущими гораздо меньшим масштабам, - сказал проф. Хопкинс. - Хотя мы прошли долгий путь, новых прорывов просто не произойдет, если мы не объединим дисциплины. В этом проекте мы использовали исследования и принципы из нескольких областей - машиностроения, химии, материаловедения, электротехники – для решения действительно сложной проблемы, которую никто из нас не смог бы решить самостоятельно».

Проф. Хопкинс является одним из лидеров инициативы UVA Engineering по интеграции многофункциональных материалов, которая объединяет исследователей из различных инженерных дисциплин для разработки материалов с широким спектром функций.

«Увидеть «мою» проблему через чью-то линзу в другой области было не только увлекательно, но и породило идеи, которые в конечном итоге привели к развитию. Я думаю, что у всех нас был такой опыт», - сказал Эшутош Гири (Ashutosh Giri), бывший старший научный сотрудник UVA Engineering и аспирант лаборатории Хопкинса, соавтор статьи о материалах в Nature и доцент Университета Род-Айленда в области машиностроения, промышленности и системотехники.

«Мы берем полимерные листы толщиной всего в один атом - мы называем это 2D - и контролируем их свойства, располагая листы слоями в определенной архитектуре», - сказал Дихтель. - Наши усилия по совершенствованию методов производства высококачественных 2D-полимерных пленок сделали возможным эту совместную работу».

Команда применяет этот новый класс материалов, чтобы попытаться удовлетворить требования миниатюризации транзисторов на плотном кристалле, добавил Дихтель.
 
Этот материал имеет как низкую электропроводность, так и высокую теплопроводность. Такая комбинация свойств была недавно определена в Международной дорожной карте полупроводников как необходимое условие для интегральных схем следующего поколения.

Проф. Патрик Хопкинс (слева) и Эш Гири