Grafen – Vi tittar närmare på efterträdaren till Kisel

Grafen som transistor

När jag sade att grafen nog hade ännu större potential än plast när den kom syftade jag bland annat på dess roll som möjlig ersättare för kiseltransistorn. Intel, TSMC, UMC, IBM, GlobalFoundries, Toshiba, Samsung och många fler sliter sitt hår för att kunna pressa ut det sista ur den stackars kiseltransistorn som helt enkelt kommer nå sina begränsningar inom en viss framtid. Vi är nere på portlängder under 20nm och även om Intel hävdar att man ska ta sig ner på 7nm är det efter detta svårt att se hur man ska komma mycket längre med kisel.

Redan idag ser vi rapporter om hur de nya NAND flash-minneskretsarna läcker ström och har dålig hållbarhet. De kan lagra mycket data, visst, men så går de sönder rekordsnabbt också. Man skyfflar över ansvaret på de som tillverkar controller-kretsen istället och hoppas att färre skrivningar ska göra problemet mindre. En tveksam lösning i mina ögon, men å andra sidan kan de inte sluta göra nya produkter.

Toshiba 19nm NAND flash-minne

Problemet är att vi inte har en ersättare redo till kiseltransistorn idag. Vi måste pressa den stackaren till sista svettdroppen annars kommer utvecklingen att stanna av. Det forskas i alternativ, men frågan är hur nära marknaden någon av dessa verkligen är. Inte ens grafen är redo att hoppa in som en ersättare imorgon. Intel avslöjade att deras 22nm-process kommer introducera en tredje dimension med nya FinFET-transistorer. Det kommer för Intels del att leda till stora förbättringar, det undanröjer inte alla de hinder som finns längre fram.

• Intel introducerar 3D-transistorer med 22nm för lägre strömförbrukning
• Intel och Micron tillkännager 20nm NAND-krets för SSD
• Toshiba börjar tillverka NAND-flashminne med 19nm-teknik

Kiseltransistorn är det som alla system är anpassade till idag och det innebär att en ersättare måste kunna glida in i dessa system relativt omärkbart. Desto bättre ersättaren är desto mer pengar är företag beredda att slänga på den för att anpassa sina system, men det måste finnas en hög grad av kompatibilitet från början annars kommer det krävas enorma investeringar i ny utrustning och frågan är hur många som kommer klara av det.

IBMs grafentransistor vid 240nm nådde 100GHz, ett nytt rekord då.

Kiseltransistorn är en fälteffekttransistor som reglerar flödet av elektroner genom att lägga en spänning över den isolerande elektroden (porten). Grafen har testats som två olika typer av transistorer. Inte bara en fälteffekttransistor utan även en ”ballistisk transistor”⁴ (ballistic transistor). Istället för portar använder man då magnetfält för att styra flödet av elektroner. Elektronerna knuffas på rätt sida om ett kilformat objekt när de far fram i extremt höga hastigheter.

Ballistisk transistor. Elektronerna a) dirigeras av magnetfältet b)
så att de hamnar på rätt sida om kilen c).

Fördelarna med ballistiska transistorer är högre hastigheter (TeraHertz har diskuterats), mindre brus, lägre strömförbrukning och mindre fysisk storlek. Det är väldigt mycket ett koncept under bearbetning och vi vet inte när vi kan komma se sådana. Utvecklingen går istället mot att använda grafen som en fälteffekttransistor som bygger på dess förmåga att byta egenskaper när en vinkelrät spänning läggs på.

Referenser

4 – Radical ‘Ballistic Computing’ Chip Bounces Electrons Like Billiards