Tlenek krzemu przełamie barierę prawa Moore'a?

Od dawna czynione są zabiegi, żeby podtrzymać prawo Moore'a, które dla układów krzemowych wkrótce się załamie. Przypomnijmy sobie, że prawo to mówi, że gęstość upakowania elementów układów scalonych podwaja się co dwa lata. Tymczasem wytwórcy układów pamięci uważają, że nie da się zejść z wielkością elementu poniżej 10 nanometrów. Pamięci flash dotrą do nieprzekraczalnej bariery jeszcze szybciej - w ich przypadku to 20 nanometrów. Pojawia się jednak szansa: lekceważony do tej pory tlenek krzemu. Naukowcy z Rice Uniwersity już pokazali działający układ pamięci z elementami wielkości 10 nanometrów.

W zeszłym roku zespołowi profesora Jamesa Toura udało się zademonstrować funkcjonujący bit pamięci w postaci grafitowego drucika grubości 10 nanometrów. Odpowiednio dobrane napięcie na zmianę przerywało połączenie i przywracało je na żądanie, mniejsze napięcie pozwalało oczywiście na odczyt stanu. To zwiastowało nowy rodzaj trwałej pamięci, choć wówczas nie wiedziano jeszcze, w jaki sposób to działa.

Nic dziwnego jednak, że prace kontynuowano, a zajęli się nimi wspólnie z prof. Tourem: Douglas Natelson, Lin Zhong i Jun Yao. To właśnie Jun Yao wytrwale szukał materiałów mogących zastąpić grafit. Po serii eksperymentów zarzucił całkiem odmiany węgla oraz metale i skupił się na tlenku krzemu, który jest - w przeciwieństwie do krzemu - izolatorem. Niełatwo było mu przekonać innych do tego materiału, który jest jednym z najlepiej przebadanych związków w nauce. Nie uważano, żeby tlenek krzemu był przydatny do wytwarzania układów elektronicznych. Tymczasem właśnie jego wada - przebicia - stała się zaletą.

Cienka warstwa tlenku krzemu, umieszczona pomiędzy warstwami z polikrystalicznego krzemu, pod wpływem przyłożonego napięcia, ulega przemianie. Atomy tlenu wypadają ze związku i pomiędzy elektrodami formuje się cienki łańcuch nanokryształów krzemu. Ten cienki drucik daje się przerywać i łączyć przy pomocy napięcia elektrycznego identycznie, jak nanodrucik z grafitu, a ma grubość zaledwie pięciu nanometrów.

To genialne w swej prostocie rozwiązanie - chwalą pomysł inżynierowie Rice University. W przeciwieństwie do standardowych elementów pamięci, „bit" tlenku krzemu nie przechowuje ładunku, więc wymaga tylko dwóch, zamiast trzech połączeń. Warstwy układów pamięci mogą również być łatwo nakładane na siebie, pozwalając na tworzenie trójwymiarowych, miniaturowych i bardzo pojemnych struktur pamięci. Rozwiązanie ma też inne zalety: bardzo dużą szybkość przełączania (poniżej 100 nanosekund), bardzo dużą wytrzymałość oraz kompatybilność ze standardowymi układami krzemowymi. Oznacza to, że można je łatwo wdrożyć do zastosowań komercyjnych. Tlenek krzemu jest również odporny na promieniowanie, co oznacza przydatność w zastosowaniach militarnych i kosmicznych. Układy takie będą również odporne na przykład na rozbłyski słoneczne. Powstał już pierwszy, działający układ pamięci tlenko-krzemowej o pojemności jednego kilobajta.

Tlenek krzemu jest już wykorzystywany prze firmę NuPGA - założoną na bazie patentów inżynierów Rice University - tworząca programowalne macierze bramek. Takie macierze z tlenku krzemu, umieszczone pomiędzy warstwami układów scalonych, pozwalają na programową rekonfigurację połączeń pomiędzy nimi. Szlak dla układów pamięci opartych na tlenku krzemu jest więc już przetarty i - miejmy nadzieję - pojawią się one jak najszybciej na rynku.

tlenek krzemu nieulotne pamięci 3D prawo Moore'a James Tour Douglas Natelson Lin Zhong Jun Yao Rice University