Спецпроекты

4 главных научных открытия 2020 года для отрасли ИКТ: выбор CNews

Интеграция

Несмотря на пандемию, которая отвлекла на себя громадные ресурсы, в том числе и исследовательские, не останавливалась научная работа и в отраслях, не связанных напрямую с «проблемой года» — поиском вакцины от коронавируса. Некоторые из открытий, сделанных в 2020 г., могут существенно повлиять на развитие рынка инфокоммуникационных технологий, если не в ближайшее время, то в обозримом будущем. Как и в прошлом году, CNews рассказывает о наиболее интересных научных работах с точки зрения ИТ-рынка.

1. Сверхпроводимость снова бьет рекорды

В нашем обзоре научных достижений прошлого года среди главных была отмечена работа по высокотемпературной сверхпроводимости (ВСП). Достижение сверхпроводимости при сколько-то «нормальных» условиях позволит снизить энергопотребление и тепловыделение компьютеров, как классических, так и квантовых. Поэтому за исследованиями в этой области с большим интересом следят и в мире ИТ. В мае 2019-го международная группа ученых (в числе участников были и российские специалисты), обнаружила сверхпроводимость при температуре −23°С. Этот результат был примерно на 50 градусов выше, чем было зафиксировано ранее, но проблема состояла в том, что необходимо было создать давление в 1,7 млн атмосфер.

В этом году физики синтезировали первый в мире сверхпроводник на основе сероводорода и метана, который сохраняет сверхпроводимость при «почти комнатной» температуре в 15°С, что на 38 градусов выше рекорда прошлого года. Проблема только в том, что описываемый эффект сверхпроводимости наблюдался при давлении в 2,6 млн атмосфер. Что почти на миллион атмосфер выше прошлогоднего «повышенного давления».

Пока за повышение температуры, при которой наблюдается сверхпроводимость, приходится «платить» увеличением давления. Но есть надежда на изменение ситуации. Фото: ru.depositphotos.com

Ажиотажа новые результаты не вызвали, но следует отметить, что «старые» теории высокотемпературной сверхпроводимости не объясняли новых эффектов и исследователям пришлось довольно долго действовать наугад. Сейчас же появляются новые теории ВСП, понадобится какое-то время для их проверки. Но если у исследователей появится работающая теория, то появится и шанс разорвать порочную зависимость «выше температура — выше давление».

2. Литий-ионным аккумуляторам находят замену

Аккумуляторные батареи нужны всем, их производство — это громадный рынок, объем которого оценивается в районе в $400 млрд. Поэтому неудивительно, что многие десятки компаний и лабораторий заняты созданием новых типов аккумуляторов, стремясь в первую очередь повысить их энергоемкость, срок службы, ускорить зарядку, заменить дорогие компоненты батареи на более дешевые и т. д.

Сейчас самые популярные аккумуляторы — литий-ионные. Они так важны для мировой экономики, что в 2019 г. Нобелевский комитет вручил премию по химии за их создание Джону Гуденафу (John Goodenough), Стэнли Уиттингему (Stanley Whittingham) и Акире Йошино (Akira Yoshino).

Мировое производство литий-ионных аккумуляторов в настоящее время составляет около 160 ГВт*ч в год, и оно очень быстро наращивается. Немецкий эксперт Роланд Зенн (Roland Zenn) опубликовал карту с указанием работающих и строящихся «батарейных» фабрик. Когда эти заводы войдут в строй, они будут выпускать за год аккумуляторы суммарной емкостью 430 ГВт*ч, этого хватит для 4,8–5 млн автомобилей (сейчас в год выпускается около 2,3 млн). Аналогичные планы есть и в Америке, и в странах Азии.

Действующие европейские фабрики по производству литий-ионных аккумуляторов и планы по созданию новых

Источник: Roland Zenn, 2020

Однако производство ионно-литиевых устройств зависит от таких материалов, как кобальт и никель, запасы которых ограничены (как и самого лития), эти батареи имеют тенденцию воспламеняться. Поэтому их совершенствование — не единственный вариант развития индустрии. Сейчас многие ученые работают над созданием литий-металлических аккумуляторов, эти элементы питания будут иметь удельную энергию элемента больше на 35%, что позволит создавать аккумуляторные батареи, которые могут обеспечить 350 или 400 ватт-часов на килограмм и 1000 ватт-часов на литр. Текущие литий-ионные аккумуляторы имеют удельную энергию около 150 Вт*ч/кг и плотность энергии ближе к 250 Вт*ч/л.

Так, Samsung разработала литий-металлический аккумулятор, который может иметь жидкий электролит и позволяет запасти почти вдвое больше энергии. А Tesla запатентовала в прошлом году литий-металлические батареи без использования анодов.

Еще одно перспективное направление разрабатывают российские ученые из Института общей и неорганической химии совместно с коллегами из Израиля и Австралии. Они получили материал на основе восстановленного оксида графена и сульфида сурьмы и протестировали его в качестве анода калий-ионного аккумулятора — перспективного аналога литий-ионных. Удельная емкость нового материала — более 650 мАч/г, что намного выше, чем у других экспериментальных образцов (сульфидов фосфора, кобальта, олова, сурьмы). К тому же калий намного более распространен, чем литий, мировых запасов которого на грядущую «революцию электромобилей» может и не хватить.

Пока это еще перспективная разработка, однако в данном направлении у России есть шанс оказаться в числе лидеров. Если, конечно, проблема и ее решение попадутся на глаза высшему руководству страны, и оно включит их в какую-нибудь нацпрограмму.

3. Ученые предлагают новые материалы и новые структуры на замену кремнию

Технологическая норма (ТН) при проектировании и производстве интегральных схем — это минимальный размер транзистора или ширины зазора между элементами (линиями), соединяющими транзисторы. С этим понятием тесно связан Первый закон Гордона Мура — «число транзисторов в интегральных микросхемах удваивается за срок от 18 до 24 месяцев», то есть расстояние между транзисторами и их собственные размеры должны пропорционально уменьшаться, должна уменьшаться ТН, по которой они изготавливаются.

Инвестиции в столичный финтех резко выросли после многолетнего спада
Инновации и стартапы

Пять десятилетий подряд закон Мура выполнялся, однако ничего вечного не бывает. На пути закона встали физические ограничения. Пока их удается обойти, например, TSMC объявила о разработке схемы производства чипов по 2-нанометровому техпроцессу уже в 2023–2024 гг. А 3-нанометровый процесс будет налажен уже во второй половине 2022 г.

tsmc600.jpg
TSMC обошла всех в «гонке за нанометрами»

На 3 нанометра собиралась перейти и Samsung, причем уже в 2021 г. Но она вынуждена была поменять планы из-за пандемии, и теперь выход 3-нанометровой продукции отложен минимум до 2022 г.

Как в случае с аккумуляторами, кроме совершенствования «главной» технологии ученые пытаются найти и новые пути, которые часто объединяют термином «посткремниевая электроника».

Так, ученые из новосибирского Академгородка разработали уникальные нанопереключатели, основу которых составляют монокристаллы двуокиси ванадия. Для этих элементов характерно резко и обратимо менять собственное сопротивление, при этом они долговечны и энергоэффективны. Как отмечают разработчики, к преимуществам этой разработки также стоит отнести относительную дешевизну, которая достигается за счет ее внедрения в хорошо развитую кремниевую технологию.

На данный момент плотность расположения нанопереключателей — 1 млн на 1 кв. см., в перспективе эту величину можно довести до 1 млрд на 1 кв. см. За счет этого можно будет создавать нейроморфные компьютеры. Если, конечно, удастся создать технологию выпуска микросхем на этих переключателях.

Ученые другого российского научного центра, Дальневосточного федерального университета, вместе с зарубежными коллегами предложили новый способ создания скирмионов (магнитных квазичастиц) и скирмионных решеток, с помощью которых можно кодировать, передавать, обрабатывать информацию и создавать топологические изображения с разрешением менее 100 нанометров.

Скирмионные структуры выглядят завораживающе. Вдобавок, как выяснили в Лаборатории Эймса (США), они еще и могут делиться, подобно живым клеткам

Скирмионы — это магнитные структуры, которые при определенных условиях зарождаются в тонкопленочных магнитных материалах с толщиной слоев от одного до нескольких нанометров. Ученые сформировали плотноупакованные стабильные массивы скирмионов, воздействуя на тонкопленочную магнитную структуру локальным магнитным полем и впервые реализовали топологическую нанолитографию, получив наноразмерные топологические изображения, в которых каждый отдельный скирмион играет роль пикселя, как в цифровой фотографии. Скирмионы можно использовать для создания нейроморфных чипов в качестве базовых элементов, имитирующих потенциал действия биологических нейронов. Есть перспективы применения их в криптографии.

Однако пока запись информации посредством приложения локальных точечных магнитных полей происходит очень медленно и не подходит для промышленного внедрения.

4. »Шероховатые» рутениевые электроды обеспечивают до 50 млн циклов перезаписи

В устройствах массовой памяти сейчас идет борьба между жесткими дисками и полупроводниковыми SSD-накопителями. Последние обеспечивают очень быстрое считывание и запись данных, но имеют и существенный недостаток — ограниченное число циклов перезаписи ячеек памяти. С этим борются программно, стараясь более-менее равномерно распределять операции записи по такому диску. Считается, что SSD-диски нужно менять раз в пять лет.

Поэтому сейчас много исследований направлено на поиск новых типов флеш-памяти, с более высоким числом циклов перезаписи. Одна из таких работ выполнена в лаборатории атомно-слоевого осаждения МФТИ совместно с коллегами из Кореи. Суть работы в том, что некоторые вещества при подаче на них электрического напряжения могут переключаться из диэлектрического состояния в проводящее и обратно. Ячейки, использующие этот эффект, отличаются низким энергопотреблением и долговечностью.

Такие ячейка представляет собой слоистую структуру между двумя электродами, на которые подается переключающее напряжение. Их свойства зависят не только от вещества между электродами, но и от состава и формы самих электродов. Сегодня один электрод делают в основном из нитрида титана, а второй — из платины. Однако технологически более эффективными оказались электроды из рутения, который, в отличие от платины, совместим с полупроводниковыми структурами, используемыми в микросхемах, кроме того, рутениевые электроды также можно получать методом атомно-слоевого осаждения, благодаря чему есть возможность изготавливать трехмерные вертикальные структуры памяти.

Как выясняется, порой неидеальное лучше не только в жизни, но и в технике

Выбрав материал, сотрудники лаборатории изучили влияние дефектов поверхности одного из электродов на свойства ячейки резистивной памяти. Оказалось, что при увеличении толщины электрода шероховатость его поверхности резко возрастает, но при этом параметры ячейки памяти заметно улучшаются.

В итоге исследований были получены ячейки «оптимальной шероховатости», выдерживающие до 50 миллионов циклов перезаписи, а это кардинальное улучшение надежности резистивной памяти.