Elektronika inspirowana origami pokonuje ograniczenia wynikające z prawa Moore'a
Od niemal 60 lat prawo Moore'a pozostaje jedną z kluczowych zasad w dziedzinie elektroniki. Jego twórca przewidział, że liczba tranzystorów zawartych w mikroukładach będzie ulegała podwojeniu co około dwa lata, bez znaczącego wzrostu kosztów ich produkcji. Sektor zbliża się jednak do granic opłacalności i ograniczeń wyznaczanych przez prawa fizyki, które spowodują, że zasada ta przestanie obowiązywać. Obecnie jednym z obiecujących rozwiązań jest układanie tranzystorów warstwami, czego skutkiem jest powstawanie trójwymiarowych układów. Rozwiązania te mają jednak szereg ograniczeń, w tym ograniczoną żywotność i maksymalną liczbę warstw, które mogą tworzyć układ. Zespół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu ORIGENAL zajął się opracowaniem nowatorskiej koncepcji pakowania tranzystorów oparty na tradycyjnej japońskiej sztuce origami polegającej na tworzeniu rzeźb ze składanego papieru. Opracowane przez badaczy nowatorskie podejście wykorzystuje tranzystory wbudowane w cienką folię, którą można zginać i kształtować w celu tworzenia struktur trójwymiarowych za pomocą innowacyjnego narzędzia do składania. Dzięki tej technice możliwe staje się układanie tysięcy warstw, a jej zastosowanie może pozwolić na przesunięcie w czasie załamania prawa Moore'a.
Układy inspirowane origami
Pierwotna koncepcja układania tranzystorów w trzech wymiarach opierała się na kondensatorach elektrolitycznych, których cylindryczna konstrukcja opiera się na zwiniętych arkuszach folii. „To bardzo proste, szybkie i skuteczne rozwiązanie pozwalające na przekształcenie dwuwymiarowego obiektu w obiekt trójwymiarowy”, wyjaśnia Daniel Neumaier, kierownik wydziału inteligentnych systemów czujników na Uniwersytecie w Wuppertalu. Problemem stojącym na drodze wykorzystaniu tego podejścia do wytwarzania układów elektronicznych były połączenia prostopadłe do płaszczyzny folii. „Przy zwijaniu zawsze stawiamy czoła pewnemu wyzwaniu, wynikającemu ze zmiennej średnicy. To sprawia, że tworzenie połączeń staje się bardzo trudne”, mówi Neumaier, koordynator projektu ORIGENAL. Problem ten skłonił badaczy do przyjrzenia się innym metodom składania płaszczyzn, w tym technice origami. W ramach prac przeanalizowali także istniejące maszyny i procesy stosowane w różnych sektorach, w tym w produkcji elastycznej elektroniki, cienkowarstwowych modułów fotowoltaicznych oraz pakowania żywności, gdzie wykorzystywane są cienkie folie. „W przypadku połączeń wewnętrznych przyglądaliśmy się procesom wytwarzania folii i wyrównywania różnych fragmentów”, wyjaśnia Neumaier. „Wszystkie te analizy zaowocowały koncepcyjnym projektem narzędzia do składania”.
Prace nad tranzystorem cienkowarstwowym
W ramach projektu zespół opracował również technologię tranzystorów cienkowarstwowych (TFT) opartych na elastycznym podłożu mechanicznym z folii, wykorzystującym technologię półprzewodników 2D. „Nasza technologia stanowi obiecujące rozwiązanie dla przyszłych urządzeń logicznych - wierzą w to przedstawiciele przemysłu półprzewodników w całej Europie, a nawet na całym świecie”, dodaje Neumaier. „Ze względu na bliską współpracę z kluczowymi graczami w branży półprzewodników w Europie, możliwe było rozpowszechnienie wiedzy i doświadczeń”, dodaje badacz.
Przełom w sektorze rozwiązań logicznych
Choć technologia ta może przedłużyć obowiązywanie prawa Moore'a o wiele lat, jej dopracowanie i wprowadzenie na rynek zajmie wiele czasu. „Komercjalizacja tego przełomowego podejścia do urządzeń logicznych to wciąż odległa perspektywa. Doprowadzenie do sytuacji, w której rozwiązanie stanie się konkurencyjne względem istniejących technologii, będzie wymagało znaczących nakładów badawczych”, zauważa Neumaier. W najbliższej przyszłości zespół zamierza wykorzystać technologię w celu opracowania elastycznych czujników, w których różne elementy układu będą wykonane na oddzielnych elementach, a następnie zostaną połączone w jeden produkt końcowy. „Takie podejście pozwoli nam wykorzystać najlepszą dostępną technologię do wytworzenia każdego elementu. Jednocześnie w tym wypadku nie musimy stawiać czoła wyzwaniom związanym z układaniem warstw, ponieważ zamiast tysięcy, będziemy mieli do czynienia z zaledwie kilkoma warstwami”, mówi Neumaier.
Słowa kluczowe
ORIGENAL, origami, elektronika, komputer, mikroukład, prawo Moore'a, tranzystory, składanie, obliczenia logiczne