Czy fotonika krzemowa jest przyszłością?

Przez lata branża półprzewodników charakteryzowała się ciągłym rozwojem, ten jednak nie może trwać wiecznie. Oczywiście układy stają się coraz mniejsze, jeszcze bardziej wydajne i energooszczędne, jednak na horyzoncie widać już pewne ograniczenia, które nie do końca wiemy, jak pokonać. Ich sztandarowym przykładem jest granica miniaturyzacji. Procesy technologiczne coraz bardziej zbliżają się do fizycznych granic. Wiele wskazuje na to, że tranzystory poniżej 1nm mogą być niestabilne przede wszystkim przez efekty kwantowe, takie jak tunelowanie elektronów. Aby temu zapobiec naukowcy starają się budować tranzystory „inaczej” niż zwykle, to jednak nie zawsze przynosi pożądane efekty. Tutaj też skorzystam z autopromocji – „GAAFET – nieudana rewolucja w budowie tranzystorów?”. Poza tym wspomnieć możemy o problemach z oddawaniem ciepła w coraz to gęściej upakowanych strukturach, ograniczeniach rozdzielczości w maszynach produkujących chipy czy też limity wydajności krzemu.

Krzemowe „limity” to niezwykle ciekawe zagadnienie, o którym większość osób nie zdaje sobie sprawy. Choć materiał ten towarzyszy nam od początku istnienia branży półprzewodnikowej to nie jest on idealny. Głównym problemem, z którym projektanci zmierzą się w przyszłości, będzie niewystarczająca szybkość działania chipów. Już teraz możemy zauważyć między innymi osiągnięcie granicznych częstotliwości działania procesorów. Opisywane przez producentów wartości taktowania mieszczą się zazwyczaj w przedziale od 3GHz do 5GHz. Dzieje się tak, ponieważ układy, których zegary osiągają większe wartości, mają tendencję do przegrzewania się i problemów z niezawodnością. Poza tym ekstremalna miniaturyzacja krzemu prowadzi do opóźnień wewnątrz układu. Wydaje się to dziwne. Bo mogłoby się wydawać, że większe upakowanie i krótsze połączenia między elementami poprawiają komunikację, jednak w rzeczywistości jest odwrotnie. Wartość rezystancji ścieżek wewnątrz układu jest odwrotnie proporcjonalna do pola ich przekroju, czego efektem jest nieintuicyjny wzrost oporu przy każdym kroku miniaturyzacji. Poza tym coraz mniejsze krzemowe rdzenie obarczone są problemem tak zwanego rozpraszania. Im mniejsze są drogi, którymi poruszają się nośniki ładunków, tym gorzej. Choć definicja prądu elektrycznego mówi o „uporządkowanym ruchu ładunków elektrycznych”, to jest to spore uproszczenie i w rzeczywistości wygląda to całkowicie inaczej. Elektrony, jeśli to te w danej chwili traktujemy jako nośniki energii, poruszają się dość losowo, choć mniej więcej w tym samym kierunku. Poza tym ich prędkość jest ślimaczo mała, gdybyśmy mieli możliwość zobaczyć je gołym okiem to czas obserwacji, w której pokonałyby one kilka centymetrów, można by liczyć w minutach. We większych konstrukcjach półprzewodnikowych aspekty te nie mają aż takiego znaczenia, jednak im chip jest mniejszy, tym więcej pojawia się problemów.

Z tego właśnie powodu naukowcy zastanawiają się, czy krzem można zastąpić czymś innym. Do tej pory pojawiło się już kilka ciekawych koncepcji: grafen – który charakteryzuje się dość dobrymi parametrami elektrycznymi, ale jego integracja z istniejącymi rozwiązaniami jest bardzo trudna, arsenek galu – stosowany już do budowy tranzystorów, ale droższy niż konstrukcje krzemowe, dwusiarczek molibdenu – materiał nadal w fazie badań. Poza tym pojawiają się też głosy, że dalsze badania nad krzemem, czy innymi podobnymi mu materiałami są z góry skazane na porażkę, bo cokolwiek wymyślimy to i tak w pewnym momencie będzie to za mało. Każdy nowy materiał w pewnym momencie również osiągnie swoje maksimum i wrócimy do punktu wyjścia. Ci sami ludzie podkreślają często, że skoro na horyzoncie widzimy problemy z szybkością i wydajnością, to wykorzystajmy coś, co zasadniczo pozbawione jest tego problemu, czyli światło.