Tre steg visar vägen till framtidens datorkretsar

Racet mot ständigt krympande transistorer inom datorbranschen börjar nå vägs ände.

Moores lag, formulerad av Intelgrundaren Gordon Moore, säger att antalet komponenter på ett chip ska fördubblas vartannat år, samtidigt som datakraften per krona också dubblas under samma tid.

Kretstillverkarna har hittills kontinuerligt kunnat krympa transistorerna på chipen, men snart sätter fysikens lagar stopp för dagens tillverkningsprocesser. Då står Moores lag inför en stor förändring.

Det säger Lars-Erik Wernersson, professor i nanoteknik vid Lunds universitet.

– Rent historiskt har lagen kretsat kring geometrisk skalning, vilket har inneburit en fördubbling av antalet transistorer på samma yta var 24:e månad. Men för att kunna fortsätta att öka prestandan hos datorkretsar behövs nya geometrier och nya typer av material, säger han.

Lars-Erik Wernersson vet vad han pratar om. Tillsammans med en grupp forskarkolleger på Lunds universitet har han tagit fram delar av organisationen Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) nya roadmap IRDS1 – en slags färdplan för utvecklingen av integrerade kretsar fram till år 2040.

Här är tre framtidstekniker som IEEE pekar ut som särskilt viktiga de kommande årtiondena.

Nanotrådar banar väg för mindre kretsar

Nanotrådar i germanium eller kisel kan fungera som effektiva, energisnåla transistorer i framtidens kretsar. Jämfört med dagens transistorer skulle nanotrådar exempelvis ge en bättre kontroll av hur strömmen flödar genom styrelektroderna (gaten), vilket ger ökad prestanda och minskad strömförbrukning.

– Tekniken är klar, de första forskningsresultaten kom redan för tio år sedan. Det är svårt att veta när halvledarindustrin tar steget över till nanotrådar. År 2024 har nämnt som ett möjligt startår, men det är nog lite optimistiskt, säger Lars-Erik Wernersson.

3d-kretsar i nya material

Med hjälp av nya 3d-geometrier kan transistorer byggas på flera olika kretsar som staplas på varandra. På så sätt kan prestandan fortsätta öka och energiförbrukningen minska. En förutsättning för att kunna bygga höjden är sänkta tillverkningstemperaturer. Och det motiverar att nya halvledarmaterial som indium-gallium-arsenid och germanium tas i bruk.

– Att bygga på höjden kommer bland annat göra det möjligt att integrera minne och logik i olika lager i samma struktur, vilket har stora fördelar.

Smartare och energisnålare transistorer

Genom att använda nanoteknik har forskare på Lunds universitet lyckats optimera transistorer så att dessa bara behöver en tredjedel av den energi som dagens kretsar förbrukar. Tekniken kan få en stor betydelse för iot-sensorer och annan elektronik som arbetar vid låg energi.

– Tekniken bygger på att man opererar transistorerna under den så kallade fundamentala termiska gränsen, vilket reducerar energiförbrukningen.