The self-assembling computer chips of the future | Karl Skjonnemand

Переводчик: Anastasia Nevedrova Редактор: Anton Zamaraev

Computers used to be as big as a room.

Раньше компьютеры были размером с комнату.

But now they fit in your pocket,

Сейчас они помещаются в карман,

on your wrist

на запястье,

and can even be implanted inside of your body.

они даже могут быть имплантированы в тело человека.

How cool is that?

Здорово, не правда ли?

And this has been enabled by the miniaturization of transistors,

Все это стало доступно благодаря уменьшению размеров транзисторов —

which are the tiny switches in the circuits

крошечных переключателей в электронных цепях

at the heart of our computers.

самого сердца компьютера.

And it's been achieved through decades of development

Для этого понадобились десятилетия разработок,

and breakthroughs in science and engineering

прорывов в областях науки и инженерии,

and of billions of dollars of investment.

а также миллиарды долларов инвестиций.

But it's given us vast amounts of computing,

Но это дало нам огромные вычислительные возможности,

huge amounts of memory

гигантские объёмы памяти

and the digital revolution that we all experience and enjoy today.

и цифровую революцию, плодами которой мы сегодня пользуемся.

But the bad news is,

Плохая новость в том,

we're about to hit a digital roadblock,

что мы близки к тому, чтобы уткнуться в цифровой барьер,

as the rate of miniaturization of transistors is slowing down.

поскольку темпы миниатюризации транзисторов замедляются.

And this is happening at exactly the same time

Это происходит одновременно

as our innovation in software is continuing relentlessly

с неуклонно продолжающимся прогрессом в областях программного обеспечения,

with artificial intelligence and big data.

искусственного интеллекта и больших данных.

And our devices regularly perform facial recognition or augment our reality

Наши устройства рутинно распознают лица, дополняют реальность

or even drive cars down our treacherous, chaotic roads.

и даже управляют автомобилями на коварных дорогах с хаотичным движением.

It's amazing.

Это поразительно.

But if we don't keep up with the appetite of our software,

Но если мы не будем поспевать за аппетитами программного обеспечения,

we could reach a point in the development of our technology

то достигнем той стадии развития технологий,

where the things that we could do with software could, in fact, be limited

когда возможности, которые даёт программное обеспечение,

by our hardware.

будут ограничены аппаратурой.

We've all experienced the frustration of an old smartphone or tablet

Нам всем знакомо раздражение от того, что старые смартфоны или планшеты

grinding slowly to a halt over time

начинают тормозить с течением времени, вплоть до полной остановки,

under the ever-increasing weight of software updates and new features.

из-за растущего груза обновлений и новых функций.

And it worked just fine when we bought it not so long ago.

И ведь совсем недавно, после покупки, всё работало отлично.

But the hungry software engineers have eaten up all the hardware capacity

Но жадные разработчики постепенно «съели»

over time.

весь объём памяти устройства.

The semiconductor industry is very well aware of this

Полупроводниковая промышленность об этом хорошо осведомлена

and is working on all sorts of creative solutions,

и занимается разработкой всевозможных креативных решений,

such as going beyond transistors to quantum computing

включая переход от транзисторов к квантовым вычислениям

or even working with transistors in alternative architectures

или применение транзисторов в альтернативных архитектурах,

such as neural networks

например, в нейронных сетях,

to make more robust and efficient circuits.

для создания более надёжных и эффективных микросхем.

But these approaches will take quite some time,

Но такие разработки потребуют значительного времени,

and we're really looking for a much more immediate solution to this problem.

а нам нужно, по большому счёту, немедленное решение этой проблемы.

The reason why the rate of miniaturization of transistors is slowing down

Темпы миниатюризации транзисторов замедляются,

is due to the ever-increasing complexity of the manufacturing process.

потому что постоянно растёт сложность процесса их изготовления.

The transistor used to be a big, bulky device,

До изобретения интегральных схем

until the invent of the integrated circuit

транзисторы были весьма громоздкими

based on pure crystalline silicon wafers.

и строились на основе кристаллических кремниевых пластин.

And after 50 years of continuous development,

И в результате 50 лет непрерывного развития

we can now achieve transistor features dimensions

на текущий момент удалось уменьшить размер транзисторов

down to 10 nanometers.

до 10 нанометров.

You can fit more than a billion transistors

На одном квадратном миллиметре кремниевой пластины

in a single square millimeter of silicon.

можно разместить более миллиарда транзисторов.

And to put this into perspective:

Для сравнения,

a human hair is 100 microns across.

толщина человеческого волоса составляет 100 микрон.

A red blood cell, which is essentially invisible,

Диаметр почти невидимого эритроцита

is eight microns across,

составляет 8 микрон,

and you can place 12 across the width of a human hair.

на срезе волоса поместится аж 12 таковых.

But a transistor, in comparison, is much smaller,

Для сравнения, транзистор намного меньше,

at a tiny fraction of a micron across.

его ширина составляет ничтожную долю микрона.

You could place more than 260 transistors

По диаметру эритроцита

across a single red blood cell

можно разместить более 260 транзисторов,

or more than 3,000 across the width of a human hair.

на срезе человеческого волоса — более 3 000.

It really is incredible nanotechnology in your pocket right now.

У вас в кармане прямо сейчас находятся уму непостижимые нанотехнологии.

And besides the obvious benefit

Помимо очевидных преимуществ

of being able to place more, smaller transistors on a chip,

размещения большего числа транзисторов на чипе,

smaller transistors are faster switches,

маленькие транзисторы

and smaller transistors are also more efficient switches.

быстрее и значительно эффективнее.

So this combination has given us

Это сочетание позволило

lower cost, higher performance and higher efficiency electronics

снизить стоимость, увеличить производительность и эффективность

that we all enjoy today.

замечательной современной электроники.

To manufacture these integrated circuits,

При производстве интегральных схем

the transistors are built up layer by layer,

транзисторы наращиваются послойно

on a pure crystalline silicon wafer.

на кристаллической кремниевой пластине.

And in an oversimplified sense,

Упрощённо,

every tiny feature of the circuit is projected

каждая крошечная деталь схемы

onto the surface of the silicon wafer

проецируется на поверхность кремниевой пластины

and recorded in a light-sensitive material

и записывается на светочувствительный носитель,

and then etched through the light-sensitive material

а затем вытравливается в нём,

to leave the pattern in the underlying layers.

чтобы сохранить рельеф на его нижних слоях.

And this process has been dramatically improved over the years

Этот процесс за последние годы чрезвычайно улучшился,

to give the electronics performance we have today.

позволив современной электронике достичь сегодняшней производительности.

But as the transistor features get smaller and smaller,

Но с уменьшением размеров транзисторов

we're really approaching the physical limitations

стали заметны физические ограничения

of this manufacturing technique.

этого технологического процесса.

The latest systems for doing this patterning

Новейшие системы создания рельефа

have become so complex

становятся настолько сложны,

that they reportedly cost more than 100 million dollars each.

что каждый станок, по моим сведениям, стóит более 100 миллионов долларов.

And semiconductor factories contain dozens of these machines.

На заводах по производству полупроводников находятся десятки таких станков.

So people are seriously questioning: Is this approach long-term viable?

Встаёт серьёзный вопрос о жизнеспособности этого подхода в долгосрочной перспективе.

But we believe we can do this chip manufacturing

Мы уверены, что производство микросхем

in a totally different and much more cost-effective way

можно организовать совершенно по-другому и намного дешевле,

using molecular engineering and mimicking nature

используя молекулярную инженерию и имитируя природу

down at the nanoscale dimensions of our transistors.

в нанодиапазоне наших транзисторов.

As I said, the conventional manufacturing takes every tiny feature of the circuit

Как я уже сказал, при традиционном производстве

все мельчайшие детали схемы проецируются на кремниевую основу.

and projects it onto the silicon.

But if you look at the structure of an integrated circuit,

Но в структуре интегральной схемы,

the transistor arrays,

в массивах транзисторов,

many of the features are repeated millions of times.

многие элементы повторяются миллионы раз.

It's a highly periodic structure.

Это структура с высокой повторяемостью.

So we want to take advantage of this periodicity

И мы хотим использовать преимущества этой повторяемости

in our alternative manufacturing technique.

в альтернативной технологии производства.

We want to use self-assembling materials

Мы хотим использовать самособирающиеся материалы

to naturally form the periodic structures

для естественного формирования повторяющихся структур,

that we need for our transistors.

необходимых для производства транзисторов.

We do this with the materials,

Мы подбираем материалы,

then the materials do the hard work of the fine patterning,

делающие всю тяжёлую работу по формированию точного рельефа

rather than pushing the projection technology to its limits and beyond.

вместо того, чтобы выжимать всё возможное и невозможное из технологии проецирования.

Self-assembly is seen in nature in many different places,

В природе много примеров самосборки,

from lipid membranes to cell structures,

начиная с липидных мембран и заканчивая клеточными структурами,

so we do know it can be a robust solution.

так что мы знаем, что это может быть надёжным решением.

If it's good enough for nature, it should be good enough for us.

То, что приемлемо для природы, должно быть приемлемо и для нас.

So we want to take this naturally occurring, robust self-assembly

Мы хотим использовать в технологии производства полупроводников

and use it for the manufacturing of our semiconductor technology.

встречающийся в природе надёжный принцип самосборки.

One type of self-assemble material --

Один такой тип самоагрегирующегося материала,

it's called a block co-polymer --

известный как блок-сополимер,

consists of two polymer chains just a few tens of nanometers in length.

состоит из двух полимерных цепей длиной в несколько десятков нанометров.

But these chains hate each other.

Но эти цепи не переносят друг друга.

They repel each other,

Они отталкивают друг друга,

very much like oil and water or my teenage son and daughter.

как масло и вода, или мои подростки сын и дочь.

(Laughter)

(Смех)

But we cruelly bond them together,

Но мы безжалостно соединяем их,

creating an inbuilt frustration in the system,

создавая, по мере их попыток отделиться,

as they try to separate from each other.

внутренний конфликт в системе,

And in the bulk material, there are billions of these,

В куске материала таких взаимодействий миллиарды,

and the similar components try to stick together,

похожие компоненты пытаются притянуться друг к другу,

and the opposing components try to separate from each other

противоположные — оттолкнуться друг от друга,

at the same time.

причём одновременно.

And this has a built-in frustration, a tension in the system.

Это и есть встроенный конфликт, напряжённость в системе.

So it moves around, it squirms until a shape is formed.

Всё ходит кругами, выгибается, пока не примет окончательную форму.

And the natural self-assembled shape that is formed is nanoscale,

Самособранная естественным путём в нанодиапазоне форма

it's regular, it's periodic, and it's long range,

регулярна, периодична и долговечна,

which is exactly what we need for our transistor arrays.

и именно это необходимо для массивов транзисторов

So we can use molecular engineering

Следовательно, можно использовать молекулярную инженерию

to design different shapes of different sizes

для создания форм различных размеров

and of different periodicities.

с различной периодичностью.

So for example, if we take a symmetrical molecule,

Например, если взять симметричную молекулу

where the two polymer chains are similar length,

с двумя полимерными цепями схожей длины,

the natural self-assembled structure that is formed

из неё естественным образом самосборки сформируется

is a long, meandering line,

длинная извилистая линия,

very much like a fingerprint.

сильно напоминающая отпечаток пальца.

And the width of the fingerprint lines

Ширина линий отпечатков пальцев

and the distance between them

и расстояние между ними

is determined by the lengths of our polymer chains

определяется длиной полимерных цепей

but also the level of built-in frustration in the system.

и уровнем встроенного в систему конфликта.

And we can even create more elaborate structures

Мы даже можем создать более развитые структуры,

if we use unsymmetrical molecules,

используя асимметричные молекулы,

where one polymer chain is significantly shorter than the other.

где одна полимерная цепь намного короче другой.

And the self-assembled structure that forms in this case

В таком случае образуется следующая структура:

is with the shorter chains forming a tight ball in the middle,

короткие цепи формируют в центре плотный шар,

and it's surrounded by the longer, opposing polymer chains,

окружённый длинными, противоположными полимерными цепями,

forming a natural cylinder.

образующими естественный цилиндр.

And the size of this cylinder

Размер этого цилиндра

and the distance between the cylinders, the periodicity,

и расстояние между цилиндрами, их периодичность

is again determined by how long we make the polymer chains

опять же зависят от длины полимерных цепей

and the level of built-in frustration.

и уровня встроенного конфликта.

So in other words, we're using molecular engineering

Иными словами, мы используем молекулярные технологии

to self-assemble nanoscale structures

для формирования самособирающихся структур в нанодиапазоне

that can be lines or cylinders the size and periodicity of our design.

в виде линий или цилиндров с требуемыми размерами и периодичностью.

We're using chemistry, chemical engineering,

Мы используем химию, химические технологии,

to manufacture the nanoscale features that we need for our transistors.

чтобы производить детали для транзисторов в нанодиапазоне.

But the ability to self-assemble these structures

Способность этих структур к самосборке

only takes us half of the way,

является только половиной решения проблемы,

because we still need to position these structures

нам всё ещё нужно их расположить

where we want the transistors in the integrated circuit.

в интегральных схемах на месте транзисторов.

But we can do this relatively easily

Это достигается относительно просто

using wide guide structures that pin down the self-assembled structures,

с использованием широких направляющих фиксаторов,

крепящих самособранные структуры по месту

anchoring them in place

and forcing the rest of the self-assembled structures

и выстраивающих параллельно

to lie parallel,

аналогичные структуры,

aligned with our guide structure.

присоединяя их к направляющим.

For example, if we want to make a fine, 40-nanometer line,

Например, для создания тонкой 40-нанометровой линии,

which is very difficult to manufacture with conventional projection technology,

которую очень тяжело создать с традиционной проекционной технологией,

we can manufacture a 120-nanometer guide structure

можно построить с обычной технологией

with normal projection technology,

120-нанометровую направляющую структуру,

and this structure will align three of the 40-nanometer lines in between.

и эта структура объединит три 40-нанометровых линии между ними.

So the materials are doing the most difficult fine patterning.

То есть материалы сами по себе создают сложный рельеф.

And we call this whole approach "directed self-assembly."

Мы называем этот подход «управляемая самоагрегация».

The challenge with directed self-assembly

Проблема с этим состоит в том,

is that the whole system needs to align almost perfectly,

что всю систему нужно выстроить практически идеально,

because any tiny defect in the structure could cause a transistor failure.

поскольку малейший изъян в структуре приведёт к неисправности транзистора.

And because there are billions of transistors in our circuit,

И поскольку в наших схемах миллиарды транзисторов,

we need an almost molecularly perfect system.

нужна практически идеальная молекулярная система.

But we're going to extraordinary measures

Но чтобы этого достичь,

to achieve this,

мы собираемся приложить все возможные усилия,

from the cleanliness of our chemistry

от чистоты химических веществ

to the careful processing of these materials

до тщательной обработки материалов

in the semiconductor factory

на полупроводниковых заводах,

to remove even the smallest nanoscopic defects.

чтобы не допустить ни малейшего наноскопического дефекта.

So directed self-assembly is an exciting new disruptive technology,

Так что управляемая самоагрегация — это новая интересная передовая технология,

but it is still in the development stage.

но она всё ещё находится на стадии развития.

But we're growing in confidence that we could, in fact, introduce it

Но в нас растёт уверенность, что всего лишь через несколько лет

to the semiconductor industry

её можно будет применить

as a revolutionary new manufacturing process

как революционный производственный процесс

in just the next few years.

в полупроводниковой промышленности.

And if we can do this, if we're successful,

Если мы этого добъёмся, если всё пройдёт успешно,

we'll be able to continue

мы сможем продолжить

with the cost-effective miniaturization of transistors,

недорогое уменьшение транзисторов,

continue with the spectacular expansion of computing

продолжить распространение вычислительных возможностей

and the digital revolution.

и цифровой революции.

And what's more, this could even be the dawn of a new era

Может быть, это будет рассвет новой эры

of molecular manufacturing.

производства на молекулярном уровне.

How cool is that?

Здорово, не правда ли?

Thank you.

Спасибо.

(Applause)

(Аплодисменты)