Стремительное развитие полупроводниковой индустрии легко описывается известным законом Мура, сформулированным еще в далеком 1965 году, и гласящим, что каждые два года количество компонентов интегральных схем будет удваиваться. Насколько высока скорость миниатюризации микрочипов говорит тот факт, что если бы авиационная отрасль прогрессировала бы такими же темпами, то сегодня перелет из Нью-Йорка в Париж занимал бы всего одну секунду, а стоимость билета составляла бы один цент. Столь кардинально продвинулась индустрия полупроводниковых приборов с середины шестидесятых годов до наших дней, и все это время закон Мура оставался справедливым, несмотря на множество скептических возгласов, мол, еще год-два и темпы развития отрасли значительно снизятся.

Одновременно с усовершенствованием технологий изготовления интегральных микросхем велось усовершенствование и вычислительных систем их использующих, что вылилось в резкий рост производительности компьютеров, начиная от домашних, заканчивая кластерными системами. В свою очередь большие вычислительные возможности положительно сказались на научных исследованиях, особенно тех, что требуют обработки колоссальных объемов данных.

Несмотря на справедливость закона Мура уже в течение четвертого десятка лет все большее число специалистов указывает на скорое замедление темпов развития микроэлектроники. Постепенная миниатюризация компонентов и повышение точности оборудования позволяют формировать транзисторы размерами в десятки нанометров, и через несколько лет размеры элементов вплотную приблизятся к размеру атомов кремния. По оценкам специалистов, произойдет это уже к 2020 году, если развитие интегральных микросхем не затормозится ранее.

На этом масштабе кремний теряет столь ценные микроэлектронные свойства, и использование этого материала для создания привычных микросхем оказывается невозможным. В этом случае возможны два варианта развития событий – либо ищется альтернативный материал, обладающий нужными свойствами, либо развитие вычислительной техники на некоторое время приостанавливается. До создания кардинально новых систем, например, квантовых компьютеров.

Впрочем, есть и несколько иные пути модернизации интегральных микросхем, которые позволяет повысить их производительность и сделать более миниатюрными. Здесь стоит отметить интереснейшую и перспективную инновацию разработчиков Intel – трехзатворный транзистор. Разумеется, затвор в данном случае единственный, однако он огибает канал транзистора, что приводит к лучшему управлению режимом работы компонента микросхемы и, как следствие, повышению ее производительности и снижению потребляемой ей энергии. Согласно мнению специалистов, подобное ноу-хау будет применяться практически во всех микросхемах следующих поколения, изготавливаемых по CMOS-процессу.

Однако производительность интегральной микросхемы зависит далеко не только от возможностей ее основных составных частей, но еще и от скорости передачи электрического сигнала между ними. Но вполне возможно повышение этого показателя до скорости света – за счет применения интеграции на кристалл еще и миниатюрных источников и приемников оптического излучения. «Побочным эффектом» является возможность дальнейшей миниатюризации интегральных микросхем за счет более плотного размещения ее компонентов – это даст возможность следованию закону Мура еще некоторое время, причем без снижения размеров транзисторов.

Однако подобные усовершенствования – лишь временное решение основной проблемы – невозможности бесконечной миниатюризации кремниевых микросхем. И здесь на помощь разработчикам должны прийти альтернативные материалы, а одним из наиболее вероятных кандидатов на замену кремнию является графен – структура из атомов углерода толщиной всего в один атом. Уникальные свойства графена таковы, что электроны свободно перемещаются вдоль слоя графена не испытывая взаимодействий с атомами, как это происходит в привычных нам трехмерных структурах. Таким образом, «лист» графена можно рассматривать в качестве идеального канала транзистора, причем его толщина составляет не десятки нанометров, как сегодня, имеет толщину всего в один атом.

Таким образом, сегодня мы стоим перед порогом довольно интересной эры – перехода от традиционной полупроводниковой кремниевой микроэлектроники к более совершенным решениям, отличающимся высочайшей производительностью, рекордной миниатюризацией и экономичностью. Впрочем, для достижения столь многообещающих результатов ведущим исследовательским лабораториям и производителям интегральных микросхем придется вложить огромные инвестиции в разработку новейших технологий. Что же касается закона Мура, то вполне возможно, что его полномочия будут сложены отнюдь не в 2020 году, к которому нам обещают полный уход от кремния.