Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →
44
X. Kết luận. Các thành phần bán dẫn của máy tính tương lai
Tiến sĩ Khoa học Vật lý và Toán học M. E. LEVINSHTEIN, Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học G. S. SIMIN
Các phần tử bán dẫn mà máy tính hiện đại hoạt động đã đạt đến mức độ hoàn hảo cao. Thời gian chuyển đổi của chúng là một phần trăm triệu giây. Kích thước của chúng nhỏ đến mức hàng trăm nghìn bóng bán dẫn - hiệu ứng trường hoặc lưỡng cực - có thể được đặt trên một tấm bán dẫn silicon có kích thước 5x5 mm.
Máy tính hiện đại có khả năng điều khiển tàu vũ trụ và đưa ra những chẩn đoán lớn, chứng minh các lý thuyết toán học và quản lý doanh nghiệp, dịch các văn bản khoa học và lập kế hoạch vận chuyển nhằm đáp ứng các mục tiêu quốc gia.
Tuy nhiên, có bài toán, vẫn vượt quá sức mạnh của ngay cả những máy tính mạnh nhất hiện nay. Ví dụ, để đưa ra một dự báo thời tiết thỏa đáng cho ngày mai, để thực hiện một phép tính rất chính xác về hoạt động của một chiếc máy bay trong luồng không khí hoặc các electron trong vật thể rắn, bạn cần một chiếc máy tính có tốc độ khoảng 1 nghìn tỷ phép tính mỗi giây. Và đối với những máy tính như vậy, quá trình phát triển chúng đang được tiến hành, các phần tử mới, tiên tiến hơn đang được khám phá.
Các yếu tố máy tính đang được cải thiện theo nhiều hướng cùng một lúc. Các thông số của bóng bán dẫn lưỡng cực và hiệu ứng trường được cải thiện, các phần tử chuyển mạch mới được tạo ra và thử nghiệm, các phương pháp mới để kết hợp các phần tử chuyển mạch thành Mạch Intergal siêu lớn và tốc độ cực cao được đề xuất và thử nghiệm kỹ lưỡng.
Cải thiện các yếu tố máy tính hiện có
Từ nguyên lý hoạt động của bóng bán dẫn lưỡng cực và hiệu ứng trường (xem ghi chú II và III của loạt bài này trong «Kvant» Số 10, 11, 1985), cho thấy tốc độ chuyển mạch của các phần tử này càng cao, kích thước của chúng càng nhỏ và tính di động của các hạt tải điện trong chất bán dẫn mà chúng được tạo ra càng lớn.
Do đó, việc cải tiến các phần tử máy tính hiện có - bóng bán dẫn lưỡng cực và hiệu ứng trường - tiến hành theo hai cách chính. Các công nghệ và quy trình mới đang được tạo ra giúp có thể thu được các bóng bán dẫn có độ dày cơ sở nhỏ hơn (bóng bán dẫn lưỡng cực) hoặc kênh ngắn hơn có thể có (bóng bán dẫn hiệu ứng trường). Một cuộc tìm kiếm đang được tiến hành để tìm những vật liệu mới có tính linh động cao của chất mang bóng bán dẫn.
Các quy trình công nghệ hiện đại cho phép, dưới sự điều khiển của máy tính, có thể phát triển một lớp vật liệu bán dẫn dày bằng một lớp nguyên tử. Thực hành chế tạo và thử nghiệm các thiết bị có độ dày phần tử làm việc từ 10–15 Å (hình 2). Các bóng bán dẫn lưỡng cực có độ dày cơ sở ~ 0,1 µm và các bóng bán dẫn hiệu ứng trường có chiều dài cổng 0,15 µm đã được tạo ra.
Hình 1. Trong những lắp đặt như vậy, màng mỏng của chất bán dẫn đơn tinh thể phát triển rất nhanh (0,05-10 micron, có tất cả các đặc tính cần thiết để tạo ra VIS.
Hình 2. Cấu trúc gồm các lớp xen kẽ của hai chất bán dẫn khác nhau được đặt chồng lên nhau. Trong ảnh hiển vi điện tử, mỗi vùng tối gồm có sáu mặt phẳng nguyên tử GaAs, mỗi vùng sáng gồm bốn mặt phẳng nguyên tử Al1-xGa_xAs. Hãy chú ý đến ranh giới rõ ràng giữa các sọc, đặc trưng cho độ chính xác mà kết quả là độ dày của lớp phát triển.
Hình 3. Cấu trúc pha tạp có chọn lọc. Các nguyên tử tạp chất chiếm ưu thế (ký hiệu ⊥) được đưa vào vật liệu 1 (GaAlAs). Chúng tạo ra các electrin tự do trong vật liệu này (ký hiệu là ●). Phần
46
việc tạo ra một loại mạch kết nối mới - IC thể tích, mỗi mạch sẽ chứa hàng chục và hàng trăm triệu thiết bị bán dẫn.
IC thể tích lấp đầy một chiếc bánh phức tạp. Mỗi lớp của chiếc bánh này là một IC phẳng quen thuộc.
Sau khi hoàn thành việc hình thành một IC phẳng thông thường trên một tấm bán dẫn: tất cả các bóng bán dẫn, các kết nối giữa chúng, các dây dẫn bên ngoài, v.v. đều được chế tạo, một lớp điện môi được đặt lên trên. Sau đó, một lớp bán dẫn được đặt lên trên chất điện môi. Một IC thứ hai được tạo ra trên lớp bán dẫn này, v.v.
Trường hợp này hiện không chứa một bản ghi mà là một “khối” chứa nhiều IC. Trong trường hợp này, nội dung giữa các IC phẳng được tạo ra bên trong “khối” ngay lập tức trong quá trình sản xuất IC thể tích. Kết quả là số lượng nội dung bên ngoài giảm mạnh. Độ tin cậy tăng lên và chi phí của mạch giảm.
Các phần tử bán dẫn của máy tính quang học.
Trong máy tính, thông tin, như chúng ta biết, được lưu trữ và xử lý dưới dạng tín hiệu điện. Tuy nhiên, vào giữa những năm 70, công việc tạo ra một loại máy tính hoàn toàn khác - máy tính quang học đã bắt đầu.
Trong các máy tính hiện đại, “không” và “một”—hai số mà tất cả thông tin được lưu trữ và xử lý bởi máy đều được ghi lại—thường tương ứng với trạng thái đóng và mở của bóng bán dẫn. Trong máy tính quang học chiếu, “một” tương ứng với sự truyền ánh sáng qua một tế bào quang và “không” tương ứng với sự hấp thụ ánh sáng trong tế bào quang.
Giả định rằng chùm tia laser bán dẫn được đưa vào ống dẫn ánh sáng (hình 6) sẽ hướng tới các tế bào quang bán dẫn, đầu ra của chúng có thể thay đổi mười tỷ lần mỗi giây với mức tiêu thụ năng lượng thấp.
Các yếu tố tuyệt vời của một chiếc máy tính hoàn hảo khác thường
Thiên nhiên mách bảo chúng ta rằng việc tăng tốc độ giảm không phải là cách duy nhất để làm chủ khả năng trí tuệ của máy tính. Các tế bào của não người—tế bào thần kinh—chuyển đổi trong thời gian dài hơn khoảng một triệu lần so với các “tế bào” của máy tính tiên tiến. Tuy nhiên, chính Con người đã phát minh ra máy tính và nhiều thứ tuyệt vời khác.
Bộ não con người hoạt động như thế nào, tại sao nó hoạt động với hiệu quả thay thế như vậy - những câu hỏi này đang được nghiên cứu chuyên sâu và vẫn còn rất lâu mới được giải quyết. Tuy nhiên, những bước đầu tiên đã được thực hiện để tạo ra IC phân tử sinh học - nền tảng của máy tính sinh học trong tương lai. Một phương pháp sản xuất IC dựa trên nguyên liệu protein, polyinizine, đã được cấp bằng sáng chế. Các công tắc phân tử, bóng bán dẫn protein hữu ích, cảm biến sinh học cho tín hiệu, so sánh các ảnh hưởng độc hại, sinh học hoặc hóa học đã được tạo ra. Người ta giả định rằng mật độ đóng gói của các nguyên tố trong cấu trúc polyme sinh học như vậy sẽ đạt tới mật độ đóng gói của các cấu trúc chịu trách nhiệm quang hợp ở lá cây xanh và sẽ lên tới hơn một tỷ trên 1 mm2. Có lý do để hy vọng rằng IC polyme sinh học sẽ không được sản xuất mà được phát triển như mô sống.
Tuy nhiên, nếu những điều đáng tin cậy này trở thành sự thật thì những nguyên tố đó sẽ không liên quan đến chất bán dẫn.
Nhưng trong thập kỷ tới, chính sự tiến bộ trong lĩnh vực điện tử bán dẫn sẽ quyết định mức độ thành tựu trong việc phát triển các máy tính tiên tiến.