Мир после кремния: как графен изменит нашу жизнь? - Василий Перебейнос - Наука в фокусе - 2014-06-29
Н. АСАДОВА - 15:06 в Москве. У микрофона Наргиз Асадова. Это передача "Наука в фокусе". Сегодня нет нашего постоянного соведущего Егора Быковского, главного редактора журнала "Наука в фокусе". Но я вам обещаю, что в следующее воскресенье он к нам присоединится. Ну а сегодня мы поговорим с вами про микроэлектронику. И тема наша звучит так: "Мир после кремния: как заставить наши компьютеры работать быстрее". С удовольствием представляю вам моего сегодняшнего гостя, это Василий Перебейнос, старший преподаватель в Сколтехе, почётный член Американского Физического Общества. Здравствуйте, Василий.
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Здравствуйте.
Н. АСАДОВА - Я скажу сразу, что мы можем просматривать ваши заявки по СМС +79859704545. Если у вас появятся какие-то вопросы по ходу нашей передачи, присылайте, пожалуйста, их к нам в эфир, и мы постараемся на них ответить.
А сейчас, как обычно, мы начинаем с рубрики "Новости науки". На этот раз их озвучил Яков Широков.
"НОВОСТИ НАУКИ".
Я. ШИРОКОВ - Команда инженеров из Стендфордского университета построила базовый модель компьютера на базе углеродных нанотрубок - полупроводникового материала, который имеет потенциал для запуска нового поколения электронных устройств, более быстрых и более энергоэффективных по сравнению с кремниевыми чипами.
Это событие стало кульмиацией многолетних усилий ученых всего мира, работавших над применением этого перспективного материала. Исследование проводилось под руководством профессора Стендфордского университета Митры и Филипа Бонга. Люди говорили о новой эре углеродных нанотрубок, которая выведет электронику за рамки кремния, - говорит профессор Митра. Но на сегодняшний день Мы видели не так много примеров законченных цифровых систем с использованием этой захватывающей технологии. Наконец нам удалось создать систему, доказывающую её эффективность. По мнению экспертов, достижение команды Стэндфордского университета станет стимулом для поиска заменителей кремниевых микрочипов, которые в ближайшее время могут столкнуться с физическими ограничениями, не позволяющими создавать более быстрые, компактные, дешёвые электронные устройства.
Инженеры исследовательского центра компании IMB рапортуют о создании самой прогрессивной в мире интегральной схемы на основе графена. Экспериментальная схема показывает в 10000 раз более высокое быстродействие, нежели все предыдущие разработки. Ключевое преимущество графена в очень высоких скоростях распространения электронов в этом материале, что является важнейшим условием для создания быстродействующих высокопроизводительных транзисторов следующего поколения, - говорят в IBM. Графен обещает революционизировать такие принципиально важные области, как микроэлектроника, накопители энергии, гибкие дисплеи, устройства беспроводной связи.
Электронные цепи, выполненные на основе графена, обеспечат более высокую скорость передачи данных при меньшем по сравнению с кремниевыми изделиями энергопотреблении. Изготовление полноценных интегральных схем с применением графена до сих пор было сильно затруднено из-за того, что его тончайшие листы очень легко повредить. Поэтому характеристики графеновых транзисторов неминуемо деградируют. Для решения проблемы исследователи IBM полностью пересмотрели производственны процесс, применяемый при изготовлении кремниевых интегральных схем.
Работа с графеновыми транзисторами была выделена в заключительный этап. В результате удалось впервые сформировать рабочую графеновую схему для беспроводных устройств, часто выполняющую функции современных кремниевых изделий. Это изобретение приближает IBM к коммерческому производству графеновых микрочипов.
Н. АСАДОВА - Это были новости науки с Яковом Широковым. И из этих новостей, я думаю, все поняли, что почему-то кремний или силикон, с помощью которого создаются современные микрочипы и на которых работает вся наша электроника, наши компьютеры, смартфоны, почему-то перестала удовлетворять производителей, и они хотят, чтобы ещё мощнее, ещё быстрее были наши все эти девайсы прекрасные. И ищут пути, каким образом это сделать. Мой вопрос первый вам, Василий. Зачем это нужно и чем кремний не устраивает?
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Это вопрос экономический, потому что сверхприбыли делаются на новых технологиях. Когда технология становится такая, что её любой может сделать, то сверхприбыли теряются. Поэтому чтобы это... то, что было 50 лет, тенденцию продолжать, нужно всё время идти вперёд. Если раньше делали меньше, меньше, меньше кремний, то он работал быстрее и быстрее. То сейчас это уже становится сложнее сделать, намного дороже сделать, и сверхприбыли теряются.
Н. АСАДОВА - Вы как-то говорили, что был какой-то известный человек, по-моему, как раз из IBM, который сформулировал правило, что каждые 10 лет будет транзисторы всё мощнее, а микрочип всё менььше. Но оказалось, что он не только меньше, но ещё и горячее становится. Когда мы можем подержать, то мы чувствуем, что они очень горячие, и сокращение этих микросхем с какого-то момента было бы невозможным просто.
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Закон Мура - это из Intel'а человек, а Деннард - это человек из IBM, который легенда и до сих пор ещё работает в IBM, он объяснил этот закон, что каждые два года в 2 раза уменьшается размер чипа, то он становится быстрее. Но проблема вся в том, что меньше сделать можно, но лучше не становится, потому что возникают технические проблемы. Тысячи инженеров работают, чтобы решить эти проблемы. И я не буду вдаваться в детали технического характера. Всё сводится к контактному сопротивлению. Что электрону перейти из одного материала в другой - там какой-то барьер, и этот барьер становится технически слишком большой. И все новые технологии должны учитывать и эту проблему, потому что масштабирование, которое применялось раньше, оно позволяло электрону переходить с одного конца на другой быстрее, потому что расстояние меньше становится. Но барьер-то остаётся. И этот барьер становится доминирующим. То есть мы делаем короче, а лучше не становится. Вот, в чём основная проблема.
Н. АСАДОВА - Я просто сейчас ещё нашим слушателям сообщу про вас, что вы 11 лет в IBM работали, и как раз в том самом передовом научном центре, который находится в Нью-Йорке. А сейчас вы вернулись в Россию.
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Да, переехал в Сколтех.
Н. АСАДОВА - И поэтому вы правильный человек, чтобы задавать все эти вопросы. Хорошо. Над какими материалами сейчас работает в частности IBM, которые придут на смену кремнию.
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Говорить, что придёт - сложно. Но над чем работают, можно говорить.
Н. АСАДОВА - Какие направления есть? И какие кажутся из них наиболее перспективными?
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Углеродные нанотрубки, материалы, похожие на графен, только графен, закатанный в трубку.
ЕСть материалы, сплавы третьей и пятой колонки таблицы Менделеева... их тоже изучают и Intel, и IBM. Вот как бы два таких основных направления.
Но графен очень интересен и для другого. Не только чтобы заменить кремний. Он очень уникальный материал за счёт того, что он двухмерный, можно применять всё, что за 50 лет люди наработали в технологиях, как делать микросхемы на двухмерных подложках, всё это применимо к графену. У него есть другие проблемы. Но эти проблемы учёные решают и предлагают разные решения.
Н. АСАДОВА - Хорошо. Давайте мы тогда сосредоточимся сейчас на проблеме, которая называется "графен" или чипы, основанные на графене. Мы в новостях науки услышали, что уже создан самый передовой чип на основе графена и создан именно в лаборатории IBM. Хорошо, объясните нам теперь с точки зрения обывателя, что это нам даёт. Что это даст, например, нашему компьютеру.
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Можно разделять. Есть два вида чипов. Одни - логические, это те, что делают вычисления. А другие - аналоговые. И то, что мы видели в новостях - это аналоговый продукт, где позволяют передавать информацию из одной точки в другую намного быстрее.
Н. АСАДОВА - Ну во сколько быстрее? В 10 000 раз прозвучало.
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Да, это связано с уникальными свойствами графена, что он очень быстрый, там подвижность очень большая. И ещё большое преимущество графена, что он может быть сделан дешёвый, потому что он сделан из углерода, а мы все состоим из углерода, все биологические материалы - это углерод. И в том числе поэтому если технология пойдёт, то она должна быть дешёвой. И это ещё один из факторов потенциальности применения того или иного технологического процесса в промышленности.
Н. АСАДОВА - У нас в интернете вопрос задал человек с ником "Мухомор": "А где они добывать его будут? С ним такая неприятность вышла - месторождений графена не бывает в природе". Объясните, пожалуйста, людям, что такое графен, что это за материал. Из того, что я знаю - это материал, который открыли два британских учёных с русским происхождением, Андрей Гейм и Константин Новосёлов, и в 2010 году они получили Нобелевскую премию за это. Более подробнее про этот материал. Где его действительно добывать?
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Первоначально он был добыт из простого карандаша. Если его...
Н. АСАДОВА - Так что где угодно, Мухомор, можете добывать графен. Были бы знания, как сделать из карандаша.
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Проблема в том, что карандаш технологически несовместим с промышленностью. Но сейчас научились делать, синтезировать его в промышленных объёмах. Это всё реально, это всё существует. Складывают разные химические вещества, там, метан, ещё что-то, нагревают до больших температур, и там он растёт естественным образом.
Н. АСАДОВА - Производство недорогое, насколько я понимаю.
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Да, недорогое. Проблема качества, потому что один слой, когда его таким образом растить, то он теряет в своих качествах, потому что там всякие примеси появляются, его надо очищать, его нужно как-то оптимизировать условия роста, чтобы он сохранял свои свойства, чтобы электроны бегали быстро по нему и не обо что не рассеивались. Вот над этим думают учёные и технологи, то есть это более такой технологический процесс.
Ещё можно растить из кремния-углерода, то есть просто нагревают этот материал, и он там тоже растёт естественным образом. А что касается, вот, вопрос был, какие материалы он может заменить, которые редки, так это, скажем, сплав оксида индия - олова, который используется во всех дисплеях. Это материал, который проводит электричество, но прозрачный. То есть когда мы трогаем циферки на нашем компьютере, на нашем телефоне, то, как правило, это используется из этого материала. А вот индий очень редкий металл. И его цена за последние несколько лет подскочила очень сильно, а графен может заменить индий. И уже есть коммерческие продукты телефонов, которые используют графеновые.
Н. АСАДОВА - Я ещё узнала о том, что если сделать вот эти экраны из графена, то они будут не только прозрачные, как нам нужно, проводить электричество, но ещё и гибкие, то есть экран можно будет сворачивать в трубочку. Ещё я знаю, что это самый легкий материал из всех тех, которые используются сейчас.
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Да, это правда. Углерод - это шестой элемент. То есть это очень лёгкий материал. Естественно, что и материал будет легкий. Проблема в том, что в интегральной схеме не только сам материал, там ещё и подложка. То есть нужно всё вместе минитюаризировать, и чтобы это всё было вместе лёгкое. Но да, для космической промышленности это очень интересное направление, потому что запустить килограмм вещества на орбиту стоит очень дорого, и поэтому если можно сделать полкилограмма, то это очень интересное направление.
Н. АСАДОВА - А я ещё посмотрела, какие есть направления использования графена или каких-то вещей, которые можно сделать из графена. Для компьютеров это жесткие диски, которые будут иметь возможность хранить в тысячу раз больше данных, чем то, что сейчас производят.
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Память - это отдельная история. Там много направлений. И в принципе, скажем, IBM продало своё отделение, которое делает памяти ещё более 10 лет назад. Поэтому я не большой специалист в памяти. Но в принципе да... память - это обычно легче. То есть технологически это менее сложная задача - оптимизировать память. И, конечно, графен может использоваться, но там много решений. Основная проблема сверхприбыли как раз в логике. Как сделать, чтобы компьютер был быстрее...
Н. АСАДОВА - То есть сверхбыстрые компьютеры будут с помощью вот этих полупроводников на основе графена.
В. ПЕРЕБЕЙНОС - На основе графена, или графен будет как-то помогать. Не обязательно, что всё вместе заменится. Может, какие-то элементы из кремния останутся. И в принципе 50 лет человечество работало над созданием этих технологий, которыми сейчас весь мир пользуется, у каждого есть сотовый телефон - это благодаря тому, что уже всё на потоке. И не хочет никто из венчурных капиталистов это всё менять. Потому что эти заводы стоят миллиарды долларов. И если предложить заменить небольшую часть, что бы сделало быстрее, вот это идеальный подход.
Н. АСАДОВА - Ещё графен используют для оптики. Это тоже очень интересное направление. Я читала, что видеокамеры ночного видения можно делать с его помощью. Он не требует дополнительных источников света. Почему, кстати говоря? За счёт чего он такой всевидящий?
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Графен уникален в том, что у него нету щелей. То есть он как бы полуметалл. Когда мы строим наши детекторы, которые основаны на полупроводниках, то свет должен возбудить электронно-дырочную пару в полупроводнике. А в графене её нет, поэтому когда мы смотрим на свет, которое тепловое излучение, то он уже возбуждает в графене что-то, и мы это можем померить электрическим сигналом. Это называется терагерцовые технологии. Там решений на полупроводниках не так много. Те, которые есть - они очень дорогие. И вот графен имеет очень большой потенциал занять нишу этих терагерцовых технологий. А мерить можно всё - не только ночное видение, но и биологические объекты, потому что в терагерцах не разрушает ткани биологические, как, скажем, в обычном свете. И в этом направлении очень много научного задела. Ещё нет компаний, которые бы этим... хотя уже есть. Одна из этих компаний - ....Сколково. Относится к Центру квантовых материалов. Руководитель - профессор из Черноголовки Кукушкин.
И там уже имеется такая деятельность.
Н. АСАДОВА - А ещё я смотрю, что можно в аэронавтике использовать и производить более быстрые самолёты, которые выбрасывают в атмосферу меньше вредоносных выхлопов. Вот такая информация. Я вижу, что как-то вы скептически относитесь к такому применению графена.
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Да, я не специалист.
Н. АСАДОВА - Понятно. В общем, на самом деле правда и в медицине, и в аэронавтике, и в микроэлектронике масса применений для графена сейчас готовится. Но из того, что я знаю, только некоторые телефоны, смартофоны работают на графене сейчас, и больше никаких других воплощений я пока не знаю.
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Да, последняя новость, которую я слышал от Кости Новосёлова, что это действительно уже имеется в продукте, не обязательно он дешевле, но идея такая, чтобы захватить рынок, и когда будет массовое производство, тогда станет себестоимость ниже. Сейчас идёт на это.
Н. АСАДОВА - Я напомню телефон СМС: +79859704545. Присылайте свои вопросы. Я напоминаю, что у нас в гостях Василий Перебейнос, старший преподаватель в Сколтехе и почётный член Американского физического общества. И на вопрос слушателя, который нам прислал "Графин или графен?". По-русски - "графен", а по-английски - "графин". И Василий иногда сбивается на английское название, потому что 11 лет работал в IBM, прожил в Америке и привык все эти вещи называть английскими словами. Но это не надо, это не путаница. Вообще графен по-русски.
По поводу быстрых компьютеров. Каково может быть их применение? Потому что лично мне более быстрые компьютеры не нужны. Я понимаю, что я, условно говоря, те мощности, которые зашиты в мой айфон, они превосходят те мощности всех компьютеров, которые запускали человека на Луну. И я, понятное дело, не использую те мощности, которые зашиты в моём смартфоне, не знаю, даже на 50%, даже на 10% не использую. Зачем нам ещё более мощные компьютеры?
И я понимаю, что вряд ли людям они нужны. Но, может быть, это какие-то области науки, техники, может быть, это для военных интересно. То есть кто заказчик этих более быстрых компьютеров?
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Да, конечно, это для военных представляет большой интерес, более мощные компьютеры. И они платят основной счёт по этим исследованиям во многих странах, в том числе в Соединённых Штатах. Но также большие бизнесы, которые занимаются большими данными. То есть человечество производит такое огромное количество информации, которое невозможно обработать. А если научиться её обрабатывать, то можно предсказывать рынки, можно предсказывать погоду, можно делать такие вещи, которые сейчас...
Н. АСАДОВА - Террористические акты, наверное, можно предсказывать.
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Ну, да, конечно, конечно.
Н. АСАДОВА - Я сейчас не пошутила, потому что, как мы знаем, американское правительство ведёт учёт всех e-mail'ов, всех телефонных переговоров, все эти данные хранятся, а как из этого многословия вытащить информацию, нужную, допустим, для отдела полиции, которая хочет предотвратить теракт. Никак пока.
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Тут есть два решения. То есть, конечно, это программное обеспечение. То есть многие люди делают программное обеспечение, которое это всё делает более эффективно. Ну и также параллельные компьютеры. Создаются базы, датацентры, в которых находится много-много компьютеров, работающих параллельно.
Есть решения. Но если сделать...
Н. АСАДОВА - Они не такие эффективные, как если бы был создан сверхбыстрый компьютер.
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Да, эффективность - это №1. Цена сверхбыстрого компьютера, как правило, не проблема. То есть если вы сделаете то, что будет работать, скажем, квантовый компьютер, то цена может быть астрономической, но всё равно человечество будет хотеть иметь такой компьютер.
Н. АСАДОВА - Про квантовый компьютер мы во второй части поговорим более подробно. Это очень интересная тема. А я бы сейчас ещё немножечко про графен договорила. И как он будет способствовать созданию быстрых компьютеров. И, собственно, как эти быстрые компьютеры будут работать. Вы можете как-то сравнить, допустим, сейчас самый мощный компьютер, который действует, он какой?
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Наверное, 22 нм. Это IMB и Intel.
Н. АСАДОВА - А вот этот сверхбыстрый, допустим, если будет на графене, это будет что?
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Всё определяется подвижностью. Если подвижность делается в 10 раз больше, то есть и контактность проявления проблем решается, то тогда в 10 раз может быть быстрее. Но тут нужно понимать: у графена нет щели. И в чистом виде графен никогда...
Н. АСАДОВА - Это сейчас не всем понятно - "нету щели".
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Что такое полупроводник? Есть какие-то...
Н. АСАДОВА - То есть в каком-то положении проводит, а в каком-то не проводит. Это очень удобно для компьютеров, потому что они в бинарной системе действуют - 0/1, это все знают. Поэтому полупроводник - это идеальная штука для компьютеров.
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Точно, и этим можно управлять, когда он проводит, когда не проводит. А с графеном проблема в том, что он всегда проводит, потому что он может проводить лучше, хуже. Этого достаточно, для того чтобы делать аналоговые цифровые схемы, как мы слышали в новостях.
Но чтобы делать логические, то разница между тем, как проводит и не проводит, должна быть в 10 000 раз больше или меньше. Для этого нужно открыть щель. Одно из направлений, над которым думают учёные - это как открыть щель в графене. То есть химическим образом или за счёт роста, и предлагают разные решения. Но тут загвоздка в том, что мы открываем каким-то образом щель, а подвижность падает. И он уже не становится в 10 раз лучше, чем кремний.
Н. АСАДОВА - То есть из новостей мы узнали, что IBM всё-таии удалось сделать некий микрочип на основе графена, который работает в 10000 раз быстрее, чем обычный на кремнии. Значит, удалось преодолеть эту проблему с щелью?
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Это аналоговый прибор. Он не делает... Это не сверхбыстрый компьютер. То есть нужно различать два вида технологий. И то, и другое интересно. И там, и там можно заработать.
Н. АСАДОВА - А области применения у них тоже одинаковые, или не очень?
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Не очень. То есть цифровой - он просто считает. А аналоговый - он, скажем, когда вы ходите в метро, там у вас карточка, вы прикладываете к терминалу, вот это аналоговый материал.
Н. АСАДОВА - А в чём принцип работы другой? Я не очень понимаю.
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Ну там считывает с карточки дистанционно. И как быстрее считает. Когда 10 000 раз - это имеется в виду, что на графене он бы в 10 000 раз быстрее считал вашу информацию с карточки. То есть когда вы идёте в метро, вы можете подождать секунду, вы никуда не спешите, а когда вам надо много-много данных передать, то тогда каждая секунда...
Н. АСАДОВА - То есть вот эти компьютеры, лэптопы, которые у меня существуют, они не аналоговые...
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Да, они цифровые все.
Н. АСАДОВА - И здесь нам созданный микрочип на базе графена не поможет в данном случае. Это не про это.
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Если откроем щель, то поможет.
Н. АСАДОВА - Но это уже будет другая история.
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Да.
Н. АСАДОВА - Всё понятно. Я напоминаю, что передача "Наука в фокусе", её ведущая Наргиз Асадова и мой сегодняшний гость - Василий Перебейнос, старший преподаватель в Сколтехе, почётный член Американского физического общества, сейчас мы прервёмся на новости и рекламу, а затем вернёмся в эту студию и продолжим наш разговор, никуда не уходите.
РЕКЛАМА
Н. АСАДОВА - 15:35 в Москве. У микрофона по-прежнему Наргиз Асадова. Сегодня в передаче "Наука в фокусе" мы говорим о мире после кремния: как заставить наши компьютеры работать быстрее? Ещё раз представляю моего гостя сегодняшнего. Это Василий Перебейнос, старший преподаватель в Сколтехе, почётный член Американского физического общества. И зачем вообще нам нужны эти сверхмощные, сверхбыстрые компьютеры? - мы задали такой вопрос нашим слушателям и читателям нашего блога на сайте "Эхо Москвы". И вообще задали вопрос так: нужен ли вам сверхмощный, сверхбыстрый компьютер? "Да", - сказали 83% наших слушателей. "Нет", - сказали 14% наших слушателей. В голосовании приняли участие 3000 человек. Так что люди осознают, что им нужны более быстрые компьютеры. И почему они им нужны?
Вот, например, Григорий нам прислал СМС и в частности объяснил, что я вам навскидку могу назвать кучу примеров, когда эти компьютеры нужны: это предсказание погоды, дорожное движение в больших городов, поведение океана, и так далее, и тому подобное. То есть да, действительно, нам в быту такие компьютеры, оказывается, действительно очень нужны. И правильно делают учёные, которые пытаются создать такого рода компьютеры.
Мы в первой части нашей передачи говорили о том, как можно сделать компьютеры более быстрыми на основе чипов, микрочипов на базе графена. Но это не единственный материал, который сейчас находится в разработке. Я знаю как минимум ещё два. Это, в частности, нанотрубки, которыми вы как раз, Василий, занимались в IBM. Расскажи про то, что это такое и каким образом это может ускорить компьютеры.
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Нанотрубки - это графен, который свёрнут в колечко.
Н. АСАДОВА - А зачем вы сворачиваете графен в колечко ещё?
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Чтобы открыть щель. Тогда его можно использовать как полупроводник. Это принципиально. Мы теряем... есть минусы, когда мы его свернули, там возникают другие проблемы технологического плана, потому что их нужно уложить на двумерную решётку, и так далее, и так далее. Но как только мы его свернули, то мы сохраняем подвижность, которая очень быстрая, и он действительно работает быстрее кремния. И у него есть щель. То есть его можно использовать для логических материалов. Конечно, его можно использовать для аналоговых, потому что аналоговая технология более простая. Если я могу сделать на нанотрубках логический элемент, могу и аналоговый сделать. И они тоже могут быть гибкими, и другие достоинства у него есть, как у графена, но там проблема №1, и в кремнии это контактное сопротивление, о котором я уже рассказывал. Как уменьшить, чтобы электрон, перепрыгивая с металла на эту нанотрубку, чтобы он там не задерживался? Потому что если он будет там задерживаться, то смысла не будет.
Н. АСАДОВА - А что, это перегревает прибор, или что? Что происходит физически?
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Физически - да. Он, во-первых, греется, потому что джоулевы потери происходят на контакте. А, во-вторых, он медленее работает, то есть из точки А в точку B дойти у электрона занимает большее время дойти, если у него какой-то барьер. По пешеходному переходу надо перейти.
А так он на зелёный свет пролетел. Разница в этом есть. И поэтому будет медленее работать.
Н. АСАДОВА - Так. И чего вы добились уже в этом направлении?
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Мы объяснили, что если использовать металлы с правильной работой выхода, грубо говоря, такой металл, который бы позволял делать нанотрубку металлически под металлом, то тогда переход этот имел бы наименьший барьер. Проблема в контактах в чем? Что у нас имеются какие-то металлы, которые мы все используем в технологиях - медь или платина, или ещё что-то, но их не так много. Поэтому инженеры пытаются нанести какой-то слой на металл, чтобы изменить его поверхностные свойства, чтобы работу выхода электрона увеличить, и таким образом мы сможем модифицировать электронную структуру нанотрубки, или графена, или того же кремния. Для кремния это решение есть. И над ним очень долго бились десятки лет, что как бы решить эту проблему.
А вот для новых материалов нет. То есть как бы люди, учёные концентрируются на свойствах самого материала, то есть стоит ли вообще задумываться об этом сопротивлении, если материал не очень хороший? Вот, скажем, обсуждали раньше двухмерные транзисторы. Отличный материал, там есть щель. Там вся технология, которая используется в кремнии, может примениться, потому что это двумерны материал. Но проблема - контактное сопротивление. Мы кладем металл, и там барьер такой большой, что очень сложно даже померить бывает. И тут инженерная задача - как модифицировать поверхность металла. Там буквально один слой изменить или два слоя, и тогда можно изменить работу выхода электрона из этого металла в вакуум, и тогда можно уменьшить это сопротивление.
Вот если эта задача будет решена, то тогда мы сможем сделать революционные какие-то продвижения. Потому что все эти материалы, как правило, используются... то, что много в природе, оно дешёвое в производстве, потому что научились делать, растить путём смешивания разных газов, и при высокой температуре эти материалы прямо растут на подложке, потом прогоняешь электронный пучок и режешь микросхемы, рисуешь, как хочешь.
Н. АСАДОВА - Если вы про графен, то одно из его свойств - то, что он самовосстанавливается ещё. Да? Я читала про это. Правильно?
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Да, есть такой момент, что если при высоких температурах, допустим, мы выкинули какой-то углерод, то он может замениться и самовосстановить свои свойства. Сейчас сходятся учёные, скажем, я не буду за всех говорить, но из моей исследовательской работы следует, что в основном это не сами дефекты в графене, а именно примеси, которые рядом находятся. Они имеют заряд, и этот заряд рассеивает электроны, то есть он им не даёт пройти через это графен.
И как убрать эти примеси? Они, как правило, в подложке могут быть. То есть тот кремния оксид, который мы используем, чтобы изменять электрические свойства в этом графене, прикладывая поле через этот кремния оксид, в этом оксиде возникают эти кулоновские центры, которые рассеивают. То есть эта задача чисто технологическая. Есть разные точки зрения, что является доминирующим центром рассеивания. Конечно, если мы берём углерод, то, естественно, будет сильно рассеивать. И то, что учёные показали, то, что вы говорите, что он действительно может самоизлечиться. Это очень хорошее свойство.
Н. АСАДОВА - Вот, смотрите, какие ещё есть направления для создания более быстрых мощных компьютеров? Мы говорили про графен, про нанотрубки из графена же. Есть ли ещё какие-то направления, над которыми сейчас работают основные компании?
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Ну да, это материалы три-пять.
Н. АСАДОВА - Что это такое?
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Это материалы, когда берётся из третьей колонки таблицы Менделеева, пятой колонки таблицы Менделеева, их смешивают, и получается материал, который имеет тоже хорошие свойства, но там проблема такая, что они тяжёлые, и вибрация, то есть фононы в этих материалах, элементарные возбуждения атомов, низкочастотные. И при комнатной температуре становится хуже.
Учёные научились с этим бороться. Там проблема - цена. Это очень дорого. И там тоже есть свои проблемы технологические. То есть над этим работает Intel, IBM, и пытаются решить эти задачи. То есть всё упирается здесь, как дорого это произвести. То есть не надо забывать, что кремнием люди занимались 50 лет. Вначале кремний, когда его изобрели, там были такие ужасные характеристики, что когда научились это делать технологически чисто, чтоб то, что мы сейчас пользуемся, это заняло десятки лет продвинутой... тысячи инженеров над этим работали, то есть об этом не надо забывать. А когда мы говорим - вот, открыли новый материал, там, графен, вот, сколько ему?
Н. АСАДОВА - В 2004 году открыли, в 2010 получили нобелевскую премию.
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Да, 10 лет. А то, что про другие мы упомянули, их открыли ещё раньше. 3-5 давно знают. И там проблемы тоже давно известны. То есть я этим не занимался, не могу как такой эксперт говорить, в чём они именно заключаются. Но это одно из направлений, над которыми работали и Intel, и IBM.
Н. АСАДОВА - А вот нам Виталий из Екатеринбурга пишет вопрос: "Когда и где будет построена суперЭВМ производительностью 1 экзафлопс и выше?". Если вы знаете такие слова, то объясните, потому что я не знаю, что такой экзафлопс.
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Над этим работает IBM, над этим работают другие компании. В IBM есть Blue Jing, который работает по принципу, что много-много медленных компьютеров соединили в кучу, в кластер, и этот кластер из тысячи, десятков тысяч компьютеров, и они все вместе, одновременно.
Н. АСАДОВА - Это всё на базе IBM, или это добровольцы? Вот, есть такие программы, где, знаете, подключают просто добровольцев. "Если вы хотите поучаствовать в таком-то проекте, скачайте себе такую-то программу, и вы будете частью большого проекта" и так далее.
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Это называется клаудкомпьютинг, то есть это в облаке, когда много-много компьютеров везде разбросаны, и между ними связь очень медленная. А в IBM суперкомпьютер - когда они все рядышком стоят, и передача информации между различными объектами очень быстрая. То есть такой ящик размера несколько комнат, и этот ящик работает параллельно. И выдаёт те термины, которые произвёл читатель.
Н. АСАДОВА - То есть в принципе оно уже есть, но посредством соединения многих более медленных?
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Да, оно уже есть, и там конкурируют.
Н. АСАДОВА - А вот тот самый сверхмощный компьютер, который удастся построить с помощью графена, условно говоря, он будет давать такие скорости, как 1 экзафлопс, простите меня за это слово?
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Если удастся сделать один компьютер, то, конечно, их можно сделать и тысячи, использовать те же самые технологии, соединить в один большой. То есть мы сейчас говорим, как сделать, чтобы один работал быстрее. Потому что если у нас есть тысяча, мы их соединили, получили суперкомпьютер, и используем его.
Н. АСАДОВА - Я сейчас ещё телефон для СМС объявлю, +79859704545. Если есть вопросы, присылайте. Как видите, мы тут пытаемся отвечать. А у меня вопрос такой, мы обещали в первой части нашей передачи поговорить об этом, про квантовый компьютер.
То есть я так понимаю, что есть одно направление, когда мы с помощью микроэлектроники пытаемся ускорить работу компьютера, а есть другое направление, когда с помощью программирования можно ускорить его работу.
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Там не программирование. Там абсолютно другой принцип. Принцип компьютеров, который мы используем сейчас, он называется по принципу фон Неймана, то есть когда есть 0 и 1, и как-то они переключаются.
А квантовый компьютер - там нет 0 и 1, там есть 0.3, 0.7, и это всё квантовые состояния. И там мы должны следить за волновой квантовой функцией. Он строится на кубитах, то есть ячейках, которые должны работать вместе. И тогда можно решать определённый класс задач намного быстрее и то, что невозможно никогда будет сделать классическими компьютерами.
Н. АСАДОВА - Можно я так из своих знаний, которые я почерпнула, когда готовилась к этой передаче, вот чтоб было понятно, что сможет делать квантовый компьютер, сейчас, например, криптография, то есть зашифровывание, допустим, вашего кода, доступа, password'а вашей почты строится на том, что перемножаются два огромных простых числа, и то, что получено, это как-то связывается с вашим кодом этим. И для того чтобы узнать, как туда проникнуть, компьютер должен подобрать такие комбинации простых чисел, которые при определении дают то самое большое число.
На это у сегодняшних уходит много десятилетий. Поэтому можно так легко зашифровывать многие вещи. Если появится квантовый компьютер, то всё, уже всякие password'ы от вашей почты уже работать не будут, потому что тогда это можно будет расшифровать очень-очень быстро.
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Да, и, как я слышал, предлагают решения, чтобы и передавать информацию квантовым методом, то есть её тогда нельзя считать. Но это очень большое направление.
Н. АСАДОВА - Кто финансирует это большое направление?
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Как правило, военные. Потому что это очень дорого. Результат этих исследований не определён.
Н. АСАДОВА - Вы говорите - очень дорого. Это сколько? И сколько вообще людей над этим работают. И где эти люди, которые работают над квантовыми компьютерами?
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Я знаю, что в IBM, по-моему, самая большая группа, которая на переходах Джозефсона работает, строит квантовый компьютер, там техническая задача - сделать сотни ячеек. Пока сделали три. И они работают. Но там это финансируют военные, там работает человек 20-30.
Н. АСАДОВА - Математики.
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Алгоритмы другие. Нужны люди, которые будут строить алгоритмы. Там и технические люди, которые с железом работают, чтобы это реализовать в физической системе. Это очень дорогостоящая...
Н. АСАДОВА - Это только в IBM делают, или есть другие компании, которые создают квантовый компьютер?
В. ПЕРЕБЕЙНОС - В университетах работают и в Европе, и в Америке, в разных университетах есть группы, которые этим занимаются. Но чтобы именно над компьютером, насколько мне известно, это только в IBM такая группа финансируется.
Н. АСАДОВА - А почему так вообще сложилось, что вот такого рода исследования крутые - они на базе только IBM, Intel, я просто не слышу даже, других компаний вы не называете. Таких мощных компаний в мире больше нету, или...
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Очень просто. Потому что IBM работало 50 лет над кремнием. И все вот эти лаборатории, на которых IBM обкатывает технологии следующего поколения, они происходят в лаборатории. То есть перед тем как было 45 нм, потом 32, 22. Это всё сначала было в лабораторных условиях. Но это не так, как в университете. Там комната. А там мини-завод. Называется "Microelectronic research lab", то есть научная лаборатория, в которой можно создать, приблизить условия, близкие к промышленным и обкатать просто на маленьких образцах то, что будет на большом заводе делаться.
А построить такую лабораторию стоит порядка 100 млн долларов. Я знаю, в Сколтехе собираются такую строить. И если это удастся, пробить и выделить такого порядка деньги, чтобы можно было обкатывать технологии прямо в Сколтехе, то тогда и Сколтех может брать такие заказы, например, у военных, или откуда-то. Я не знаю. Или у компаний, что давайте мы вам разработаем что-то, но для этого надо обкатать. А если у нас лаборатория, которая есть в любом университете.
Н. АСАДОВА - А какой порядок цифр? Сколько это стоит?
В. ПЕРЕБЕЙНОС - 100-200 млн долларов - построить такой мини-завод.
Н. АСАДОВА - ЭТо дешевле, чем Олимпиада в Сочи, я хочу вам сказать. А по поводу производства графена я слышала, что в Испании есть большой завод по производству графена. А где ещё его производят в промышленных масштабах?
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Чтобы производить в промышленных, надо, чтобы заказчик был промышленный. Пока покупают, если мы говорим... скажем, есть такая компания... в Америке. Её финансирует один из богатых людей в Китае, но она в самой Америке. И они как бы тоже производят. Есть другие старт-апы. Много старт-апов, которые можно заказать, они вам пришлют за несколько тысяч долларов образец, вы его можете мерить и делать, писать статьи и делать публикации на этом.
Но чтоб появилась промышленность, нужно, чтобы был заказчик.
Н. АСАДОВА - Ещё нам вопросы пошли от слушателей. Уже Андрей из Москвы спрашивает: "Скажите что-то о фуллереновых нанотрубках". Тут слова, которые я не знаю.
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Я думаю, что это углеродные нанотрубки, про которые мы говорили. Возможно, фуллерен. Это шарики такие из углерода. Фуллерены были изобретены до нанотрубок. Я думаю, что это об этом идёт речь, о тех углеродных нанотрубках, про которые мы говорили, они же и фуллеренные.
Н. АСАДОВА - Ещё спрашивает Игорь из Москвы: "Как устроен учебный процесс в Сколково?". Или вы только приехали...
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Мне уже объяснили, как он устроен. Он состоит из семестров, то есть по западному образцу, то есть образование такое же, как на западе. Если человек в 1997 году уехал получать образование, то сейчас человек может не уезжать, он может, не отходя, жить в Москве, получать образование по международному стандарту. И там несколько семестров, интенсивный курс по два месяца, где люди получают степень. Есть мастер, то есть это 2 года образования, и PhD программа, то есть там лет 5 человек учится.
И смотря что человек хочет - пойти в индустрию или продолжать академическую карьеру - он выбирает либо ту, либо другую программу. Сейчас всё реально. И есть люди, то есть подавайте, там вас ждут.
Н. АСАДОВА - Ещё Таня спрашивает или утверждает, нет знака препинания в конце, но я поставлю вопрос, позволю себе такую вольность: "А сверхприбыль - это единственный двигатель этих исследований?". Правда, потому что если вы говорите про Intel и про IBM, то понятно, что сверхприбыль - это то, что двигает исследования в этих компаниях. А вот в университетах?
В. ПЕРЕБЕЙНОС - К сожалению, да. В капиталистичеком мире это очень важный... есть, конечно, национальная безопасность, такой элемент, что, скажем, в IBM они не могут раздавать технологии, которые ещё в других странах не открыты. Но в принципе сверхприбыль - это один из движущих факторов больших компаний. В университетах, конечно, сидят учёные, такие как я. Их, конечно, интересует - а как это вообще сделать, чтоб человечество стало поумнее? То есть такой внутренний стержень каждого учёного, я думаю.
Н. АСАДОВА - А скажите, кто чаще делает такие прорывы в науке - учёные, которые в университетах, или учёные, которые работают в лабораториях крупных компаний типа IBM и Intel?
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Понимаете, есть изобретения. Учёный изобрел и написал статью или даже патент. И на этом он остановился. А потом это подхватили и развили. Скажем, что было с транзистором. Его изобрели в Bell Labs, то есть это лаборатория при компании. А потом подхватили Sony, продали в Японию, и появились эти гиганты электроники.
Н. АСАДОВА - Я знаю, что в Стендфорде очень продвинутая лаборатория, которая тоже работает с микроэлектроникой и публикует всё время свои работы в Nature. Вы тоже подхватываете в IBM их работы, или нет? Или вы намного круче и далеко ушли уже, и вас это не интересует?
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Человечество немножко изменилось. Учёные уже начинают думать, как изобретения применить. Это просто дух времени. Скажем, 40 лет назад хотелось полететь в космос, и это было интересно. А сейчас каждый учёный должен думать, а что его изобретение принесёт человечеству. И Сколтех построен именно на этом принципе, чтобы привлечь людей, у которых есть какой-то опыт, и чтобы они это применили на площадке российской или международной, чтобы с базой в России, грубо говоря.
Н. АСАДОВА - Ещё спрашивает Таня из Москвы: "В Черноголовке, кроме ИФТТ, есть Институт проблем микроэлектроники. Есть ли у них подобные работы?".
В. ПЕРЕБЕЙНОС - К сожалению, я приехал только 2 недели назад. И мои первым приоритетом, как только устроиться, решить бытовые проблемы, это поехать в Черноголовку и узнать, что там есть и познакомиться лично.
Н. АСАДОВА - И последний вопрос в этой передаче, а то больше мы не узнаем, вопрос нашего постоянного слушателя Дмитрия Мезенцева: "Как вы видите дальше жизнь без кремния?".
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Кремний останется. Любые новые технологии всё равно будут управляться кремнием. То есть он никуда не денется. Мы уже от него зависим сильно. Но за кремнием быстрее, лучше должны прийти на смену другие технологии.
Н. АСАДОВА - А графен... из того, что мы сегодня проговорили, то графен полуается главным направлением, которое придёт на смену или в дополнение к кремнию, или всё-таки...
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Я бы не стал говорить, что графен. Я бы сказал так - двухмерные системы. Их сейчас очень много, разные исследования. То есть графен - просто революционер. Он первым стал в этом классе материалов. То есть я бы не заострял внимание именно на самом графене, потому что есть... их можно смещать, можно брать графен, можно брать молибденум сульфид и складывать, и делать и для солнечных батарей, вот, есть публикации группы из Манчестера, увеличивать коэффициент изменения солнечной энергии в электрическую.
Н. АСАДОВА - Сейчас очень маленький процент, да?
В. ПЕРЕБЕЙНОС - На кремний, по-моему, порядка 7-10%.
Н. АСАДОВА - Не больше.
В. ПЕРЕБЕЙНОС - То есть если сделать 30%, то это становится интересным. То есть применение двухмерных..
Н. АСАДОВА - А черный фосфор, есть такой материал - это тоже относится к двухмерным...
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Да, чёрный фосфор тоже относится. Это недавнее изобретение. Там есть щель, такая примерно, как нужна. То же самое, что графен, но только вместо графена фосфор.
Н. АСАДОВА - Всё понятно. К сожалению, наша передача всё-таки подошла к концу. Всё, что могли, мы вам рассказали, заглянули немножечко в будущее. И в этом нам помог наш гость Василий Перебейнос, старший преподаватель в Сколтехе, почётный член Американского физического общества. С вами была Наргиз Асадова, я с вами прощаюсь уже практически на месяц, потому что я уезжаю на этот раз в отпуск. Но мой коллега Егор Быковский в следующее воскресенье будет с вами и будет рассказывать очередные интересные вещи про науку. Всего доброго и до встречи.
В. ПЕРЕБЕЙНОС - Спасибо.