تونل‌زنی کوانتومی در یک نانومتر: مرز فیزیکی قانون مور

در ۶ اکتبر ۲۰۱۶، پژوهشگران آزمایشگاه ملی لارنس برکلی با موفقیت یک ترانزیستور فعال با طول گیت دقیقاً یک نانومتر را راه‌اندازی کردند. این تک‌دستگاه آزمایشی که نه از سیلیکون استاندارد، بلکه از ترکیب دی‌سولفید مولیبدن و یک نانولوله کربنی فلزی ساخته شده بود، ثابت کرد که مرزهای فیزیکی محاسبات را می‌توان فراتر از آنچه فیزیک کلاسیک تصور می‌کرد، پیش برد. این دستاورد خط فاصلی روشن در مهندسی مدرن نیمه‌رساناها رسم کرد: دیوار ۱ نانومتری پایان قانون مور نیست، اما پایان مطلق سیلیکون به عنوان شالوده زیرساخت محاسباتی جهان است.[5]

استدلال برای پایان کار سیلیکون بر پدیده‌ای به نام تونل‌زنی کوانتومی استوار است. در یک ترانزیستور استاندارد، گیت به عنوان یک کلید عمل می‌کند و با مسدود کردن یا اجازه دادن به جریان الکترون‌ها، صفر و یک‌های کد باینری را بازنمایی می‌کند. هرچه تولیدکنندگان این گیت‌ها را کوچک‌تر می‌کنند تا قدرت محاسباتی بیشتری را روی یک تراشه جای دهند، سد فیزیکی نگه‌دارنده الکترون‌ها نازک‌تر می‌شود. بر اساس مدل‌های نظری منتشر شده در مجله بین‌المللی فیزیک و کاربردها، وقتی ضخامت یک گیت سیلیکونی به زیر حدود ۱.۲ نانومتر می‌رسد، جریان تونل‌زنی به صورت نمایی افزایش می‌یابد و نوسان زیرآستانه را فراتر از حد مجاز ۶۰ میلی‌ولت بر دهه تخریب می‌کند.[1]

این تله‌پورت یک نقص تولیدی نیست؛ بلکه ویژگی بنیادین مکانیک کوانتومی است. در مقیاس نانومتر، یک الکترون دیگر صرفاً به عنوان یک ذره جامد رفتار نمی‌کند، بلکه به عنوان یک موج احتمال عمل می‌کند. اگر سد فیزیکی نازک‌تر از طول موج الکترون باشد، یک احتمال ریاضی غیرصفر وجود دارد که الکترون در طرف دیگر گیت بسته حضور داشته باشد. وقتی میلیون‌ها الکترون از یک ترانزیستور بسته تونل می‌زنند، کلید نمی‌تواند خاموش شود، جریان نشت می‌کند، گرمای عظیمی تولید می‌شود و منطق باینری لازم برای محاسبات از بین می‌رود.[1][2]

صنعت نیمه‌رسانا دهه‌ها برای به تعویق انداختن این سرنوشت محتوم تلاش کرده است. شرکت مایکروچیپ یواس‌ای خاطرنشان می‌کند که آینده کوچک‌سازی نیمه‌رساناها به معماری‌های سه‌بعدی پیچیده‌تری مانند فین‌فت (FinFET) و طراحی‌های گیت همه‌جانبه (Gate-All-Around) متکی بوده است تا کنترل الکترواستاتیک بر کانال الکترون را بدون نازک کردن گیت تا مرز کوانتومی حفظ کند. با این حال، این راهکارهای معماری در حال رسیدن به نقطه فرسودگی فیزیکی خود هستند. صنعت نمی‌تواند با استفاده از سیلیکون، راهی برای فرار از قوانین بنیادین فیزیک مهندسی کند.[3]

راه‌حل، همان‌طور که تیم آزمایشگاه برکلی نشان داد، نیازمند کنار گذاشتن ماده‌ای است که نام خود را به دره سیلیکون (سیلیکون‌ولی) داده است. دی‌کالکوژنایدهای فلز واسطه، به ویژه دی‌سولفید مولیبدن (MoS2)، ساختار اتمی متفاوتی ارائه می‌دهند. الکترون‌هایی که از میان MoS2 جریان می‌یابند با جرم مؤثر بالاتری روبرو می‌شوند، به این معنی که امواج احتمال کوانتومی آن‌ها فشرده‌تر است و احتمال کمتری دارد که از یک سد تونل بزنند. این امر به مهندسان اجازه می‌دهد تا گیت را تا یک نانومتر کوچک کنند و در عین حال توانایی مسدود کردن فیزیکی جریان الکترون را حفظ نمایند.[4][5]

جایگزینی کانال سیلیکونی تنها نیمی از معادله است؛ خود گیت نیز باید بازسازی شود. پژوهش‌های ای‌آی‌پی پابلیشینگ عملکرد این دستگاه‌های ۱ نانومتری را با استفاده از نانولوله‌های کربنی فلزی به عنوان الکترود گیت شرح می‌دهد. یک نانولوله کربنی، که استوانه‌ای توخالی از اتم‌های کربن با قطر دقیقاً ۱.۰ نانومتر است، کنترل الکترواستاتیک دقیقی را که برای روشن و خاموش کردن کانال MoS2 لازم است، فراهم می‌کند. این ترکیب از یک کانال ماده دوبعدی و یک گیت نانولوله یک‌بعدی، قوی‌ترین نامزد فعلی برای نسل بعدی الکترونیک فوق‌فشرده به شمار می‌رود.[4]

پژوهش‌های بیشتر در حال گسترش فهرست جایگزین‌های احتمالی سیلیکون است. شبیه‌سازی‌های اخیر ترابرد کوانتومی از اصول اولیه که توسط انتشارات ای‌سی‌اس منتشر شده، رفتار ترانزیستورهای تک‌لایه و دولایه دی‌سلنید تنگستن (WSe2) را در طول گیت‌های زیر ۱ نانومتر مدل‌سازی کرده‌اند. این شبیه‌سازی‌ها تأیید می‌کنند که این فناوری‌های سیماس (CMOS) فوق‌فشرده می‌توانند جریان‌های روشن بالایی را حفظ کنند و در عین حال نشت تونل‌زنی کوانتومی را سرکوب نمایند، که این خود یک نقشه راه نظری برای تولید تراشه‌هایی است که بسیار پایین‌تر از آستانه سیلیکون کار می‌کنند.[6]

گذار به این مواد جدید صرفاً یک تمرین نظری نیست؛ بلکه یک ضرورت اقتصادی برای بخش فناوری جهانی است. کل مسیر هوش مصنوعی، محاسبات پیشرفته موبایل و کارایی دیتاسنترها به کاهش مداوم اندازه ترانزیستورها برای افزایش تراکم پردازش و کاهش مصرف انرژی بستگی دارد. اگر صنعت در مرز تونل‌زنی سیلیکون به یک توقف سخت برسد، دستاوردهای نمایی در قدرت محاسباتی که اقتصاد جهانی را برای پنجاه سال به پیش رانده است، متوقف خواهد شد.[2][3]

اکنون چالش از فیزیک نظری به تولید صنعتی تغییر جهت می‌دهد. از آنجا که این اسناد مرجع اولیه و اطلاعیه‌های آزمایشگاهی دقیقاً بر پارامترهای ریاضی و فیزیکی دستگاه‌ها تمرکز دارند، حاوی نقل‌قول‌های محاوره‌ای از پژوهشگران نیستند؛ با این حال، خود داده‌ها به روشنی درباره محدودیت‌های فیزیکی سخن می‌گویند. رشد لایه‌های یکنواخت MoS2 یا WSe2 روی یک ویفر ۳۰۰ میلی‌متری، و تراز کردن دقیق تا ۵۰ میلیارد نانولوله کربنی بدون حتی یک نقص، نیازمند تأسیسات و تکنیک‌های ساخت کاملاً جدیدی است.[1][6]

زیربنای این گذار در طول بیش از یک دهه پی‌ریزی شده است. در اوایل ۹ دسامبر ۲۰۱۱، پژوهشگران دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا در حال مستندسازی این موضوع بودند که چگونه می‌توان تونل‌زنی کوانتومی را برای دستیابی به عملکرد رکوردشکن ترانزیستور در تنظیمات آزمایشی دستکاری کرد و از این پدیده به نفع خود در ترانزیستورهای اثر میدان تونلی تخصصی بهره برد. آن پژوهش‌های اولیه برجسته کرد که اثرات کوانتومی در مقیاس نانو صرفاً موانعی برای اجتناب نیستند، بلکه ویژگی‌هایی هستند که می‌توان آن‌ها را مهندسی کرد.[7]

دیوار ۱ نانومتری یک رویارویی سخت میان تکنیک‌های مهندسی کلاسیک و قوانین تغییرناپذیر فیزیک کوانتوم را تحمیل می‌کند. شواهد گردآوری‌شده در چندین مؤسسه پژوهشی تأیید می‌کند که اگرچه سیلیکون استاندارد در مرز ۱.۲ نانومتری به پایان فیزیکی خود رسیده است، اما میدان گسترده‌تر محاسبات چنین نیست. صنعت جهانی نیمه‌رسانا با پذیرش فعالانه مواد دوبعدی و نانولوله‌های کربنی، در حال آماده شدن برای عبور از آستانه کوانتومی است. این تغییر ماده تضمین می‌کند که سرعت بی‌امان کوچک‌سازی، که اقتصاد دیجیتال مدرن را تعریف کرده است، مسیر خود را تا اعماق عصر زیرنانومتر ادامه خواهد داد.[2][4][5][8]