Тази статия обсъжда основите на компютърните чипове и се фокусира върху материалите, използвани по време на тяхното производство, както и върху най-новите постижения в тази конкретна област.
Кредит за изображение: Preechar Bowonkitwanchai/Shutterstock.com
Въведение в компютърните чипове
Компютърният чип е компактна форма на електронна схема, характеризирана също като интегрална схема (IC), която е една от основните единици на повечето електронно оборудване, особено компютрите. Тези чипове се наричат още микрочипове. Компютърните чипове са компактни и се състоят от полупроводници, които включват множество малки елементи като транзистори и се използват за изпращане на пакети с електрически данни. Те придобиха популярност през втората част на двадесети век благодарение на малкия си размер, висока ефективност и лекота на производство.
Фундаментална класификация на компютърните чипове
Има различни основни типове такива чипове, включително аналогови, цифрово функционални микрочипове и компютърни чипове за предаване на смесен сигнал. Тези няколко класа управляват как изпращат съобщения и се различават по своите оперативни и функционални процеси. Тяхната категоризация значително влияе върху тяхната производителност и компактност, като цифровият компютърен чип е най-компактният, високоефективен, най-стабилен и най-широко използван, прехвърляйки пакети данни като последователност от единици и нули.
Кой материал се използва широко за производството на компютърни чипове?
Силиконът присъства в изобилие и е най-използваното вещество за производството на компютърни чипове. Силицият е естествен полупроводник. Инжектирането на несъвършенства в силиций може да промени неговите електрически характеристики, техника, известна като допинг. Благодарение на тези свойства, той е ефективно вещество за производството на транзистори.
Силиконовите пластини или платформи, които служат като основа на микрочипове, са съставени от силиций, докато металните проводници, използвани за свързване на секциите на веригата, са направени от алуминий или мед. Силицият е широко разпространен полупроводник, което означава, че предава или изолира електричество, а типичният плажен пясък има голяма концентрация на силиций.
Силиконът се почиства, разтопява се и се охлажда в слитък, преди да се използва за производство на микрочипове. След това блоковете се нарязват на вафли с дебелина 1 милиметър. Тези вафли се почистват огледално гладки, преди да преминат през сложна процедура за генериране на чипове.
Това включва фотолитография, която отпечатва структури върху вафли; йонна имплантация, която променя електрическите характеристики на силиция на определени места; ецване, което елиминира ненужния силиций; и преходна конструкция на порта. След това се прикрепя металната верига. Металните вериги могат да бъдат намерени в повече от 30 слоя на някои компютърни чипове. Въглеродните транзистори ще бъдат намалени по размер, позволявайки на зарядите да преминават с минимални ограничения. Това ще позволи на джаджите да се включват и изключват по-бързо.
Ограничения
Свързани истории
Въпреки че силицийът може да се използва широко за компютърни чипове, поради определени ограничения се работи върху алтернативи. Силициевите чипове са икономични само ако са малки.
Силиконовите пещи стават 10 пъти по-скъпи на всеки няколко години. Освен това е трудно да се съгласува с други елементи по своевременен и рентабилен начин. Изолираните силициеви атоми имат физически изискваща граница (около 0,2 nm), но тяхната активност става непредсказуема и трудна за поддържане при определени условия. Без потенциал за по-нататъшно намаляване на размера на интегралните схеми, силицийът не може да продължи да произвежда предимствата, които има досега.
Компютърни чипове от въглеродни нанотръби
През 2019 г. изследователите се съсредоточиха върху въглеродните нанотръби за производството на компютърни микрочипове, тъй като те предлагат големи предимства по отношение на консумацията на енергия. Въглеродните нанотръби са почти толкова тънки, колкото атом. Те също така пренасят електрически заряди значително добре. В резултат на това те произвеждат превъзходни полупроводникови транзистори в сравнение със силициевите.
Още от AZoM: Справяне с недостига на чипове с кръговата икономика на полупроводниците
Електрониката от въглеродни нанотръби теоретично може да бъде три пъти по-добра от силициевите компютърни чипове по отношение на скоростта на обработка. Те също така биха използвали около една трета от енергията, която използват силициевите процесори.
Наномагнитни компютърни чипове
Очаква се скоро базираните на наномагнит компютърни чипове да заменят базираните на силиций компютърни чипове. Наномагнитите използват наномагнитна технология за предаване и обработка на данни. Те правят това, като използват превключваеми магнитни режими, които са фотолитографски залепени към системните мрежи на верига.
Наномагнитната логика функционира подобно на базираните на силиций полупроводници, с изключение на това, че вместо да включват и изключват транзисторите за генериране на двоични данни, нивата на намагнитване се превключват. Тези двоични данни могат да се интерпретират чрез свързване на дипол-дипол (връзката между северния и южния полюс на всеки магнит). Наномагнитната логика консумира сравнително малко енергия, тъй като не зависи от електрически ток. Когато се вземат предвид екологичните проблеми, това ги прави подходящият заместител.
Освен гореспоменатите материали, зеолитните тънкослойни микрочипове също се изследват поради тяхната ниска диелектрична константа и превъзходна ефективност.
Последни научни постижения
Технологиите за интегриране на двуизмерни материали в компютърни чипове са обсъдени в последното изследване, публикувано от Дейвид Дж. Мос. Вградената електроника с мащаб на чип, която има малък отпечатък, намалена енергийна нужда и евтино производство поради широко разпространеното производство, оказа значително влияние върху съвременния ни начин на живот.
Въпреки че традиционните полупроводници от метален оксид, като силиций, са повлияли на вградените устройства, те имат няколко присъщи ограничения за материалите. Други материални интеграции на чип се оказаха привлекателен метод за преодоляване на тези проблеми.
След революционното развитие на наночастиците като графен, 2D многослойните материали събудиха любопитството на мнозинството и категорията на материалите бързо се разширява. В сравнение с груповите аналози, 2D алтернативите имат многобройни изключителни качества, включително пренос на ултрависок заряд, многослойни чувствителни ленти, значителна асиметрия, честотна лента, минимално фотонно разсейване и изключителни нелинейни характеристики на абсорбция.
Присъщата им тънка форма допълнително облагодетелства интеграцията с висока плътност и производителността с ниска мощност. Използването на 2D материали върху традиционни електронни компоненти като компютърни чипове съчетава перфектната комбинация.
Изгодните 2D материали включват графен, графенов оксид, дихалкогениди на преходни метали, черен фосфор, както и хексагонален борен нитрид, Mxenes, перовскити и металоорганични рамки. Тези материали са използвани за тънки филми, микрочипове, транзистори с полеви ефекти, микро-суперкондензатори и материали за съхранение на енергия.
Бъдеще на компютърните чипове
Недостигът на силициеви чипове доведе до скок в цените на компютърните компоненти и електронните устройства, включващи компютърни връзки. Използвайки революционна технология за силициев компютърен чип, може да сме в състояние да създаваме квантови компютри евтино и често в бъдеще. Университетът в Мелбърн изследва този подход.
Подходът на силициевия компютърен чип може да генерира широкомащабни конфигурации от номерирани частици, които могат да бъдат манипулирани и наблюдавани за техните квантови състояния, за да бъдат променени, свързани и разчетени. Това ще позволи на инженерите да проектират квантови логически функции сред огромни масиви от субатомни частици, като същевременно поддържат много прецизни операции в цялата система.
Препратки и допълнително четене
Innovation News Network, 2022 г. Напредък в квантовите изчисления със силициев компютърен чип.[Онлайн] Налично на: https://www .innovationnewsnetwork.com/advancements-quantum-computing-silicon-computer-chip/17003/
Мос, Дейвид. 2022. Технологии за интегриране на чипове с 2D материали. Предварителни отпечатъци на OSF. Наличен на: https://osf.io/tqmes/
Nisar, Muhammad Shemyal и др. 2021. Вградени в чип фотонни устройства, базирани на материали с фазова промяна. Фотоника. 8(6). 205. Мултидисциплинарен институт за цифрови публикации. 2021. Достъпно на: https://www.mdpi.com/2304-6732/8/6/205
Нортън, M. G. 2021. Силиконът – материалът на информацията. В десет материала, които оформиха нашия свят. 177-195. Спрингър, Чам. https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-030-75213-2
Xiang, Shen и др. 2021. Тенденция на развитие на областта за изследване на 2D материали въз основа на проекти, финансирани от Националната научна фондация. Научен фокус 16 (6). 1-15. Наличен на: 10.15978/j.cnki.1673-5668.202106002
Отказ от отговорност: Мненията, изразени тук, са тези на автора, изразени в лично качество и не представляват непременно възгледите на AZoM.com Limited T/A AZoNetwork, собственикът и операторът на този уебсайт. Този отказ от отговорност е част от Правилата и условията за използване на този уебсайт.
