Computers used to be as big as a room. But now they fit in your pocket, on your wrist and can even be implanted inside of your body. How cool is that? And this has been enabled by the miniaturization of transistors, which are the tiny switches in the circuits at the heart of our computers. And it's been achieved through decades of development and breakthroughs in science and engineering and of billions of dollars of investment. But it's given us vast amounts of computing, huge amounts of memory and the digital revolution that we all experience and enjoy today.
Раньше компьютеры были размером с комнату. Сейчас они помещаются в карман, на запястье, они даже могут быть имплантированы в тело человека. Здорово, не правда ли? Все это стало доступно благодаря уменьшению размеров транзисторов — крошечных переключателей в электронных цепях самого сердца компьютера. Для этого понадобились десятилетия разработок, прорывов в областях науки и инженерии, а также миллиарды долларов инвестиций. Но это дало нам огромные вычислительные возможности, гигантские объёмы памяти и цифровую революцию, плодами которой мы сегодня пользуемся.
But the bad news is, we're about to hit a digital roadblock, as the rate of miniaturization of transistors is slowing down. And this is happening at exactly the same time as our innovation in software is continuing relentlessly with artificial intelligence and big data. And our devices regularly perform facial recognition or augment our reality or even drive cars down our treacherous, chaotic roads. It's amazing. But if we don't keep up with the appetite of our software, we could reach a point in the development of our technology where the things that we could do with software could, in fact, be limited by our hardware.
Плохая новость в том, что мы близки к тому, чтобы уткнуться в цифровой барьер, поскольку темпы миниатюризации транзисторов замедляются. Это происходит одновременно с неуклонно продолжающимся прогрессом в областях программного обеспечения, искусственного интеллекта и больших данных. Наши устройства рутинно распознают лица, дополняют реальность и даже управляют автомобилями на коварных дорогах с хаотичным движением. Это поразительно. Но если мы не будем поспевать за аппетитами программного обеспечения, то достигнем той стадии развития технологий, когда возможности, которые даёт программное обеспечение, будут ограничены аппаратурой.
We've all experienced the frustration of an old smartphone or tablet grinding slowly to a halt over time under the ever-increasing weight of software updates and new features. And it worked just fine when we bought it not so long ago. But the hungry software engineers have eaten up all the hardware capacity over time. The semiconductor industry is very well aware of this and is working on all sorts of creative solutions, such as going beyond transistors to quantum computing or even working with transistors in alternative architectures such as neural networks to make more robust and efficient circuits. But these approaches will take quite some time, and we're really looking for a much more immediate solution to this problem.
Нам всем знакомо раздражение от того, что старые смартфоны или планшеты начинают тормозить с течением времени, вплоть до полной остановки, из-за растущего груза обновлений и новых функций. И ведь совсем недавно, после покупки, всё работало отлично. Но жадные разработчики постепенно «съели» весь объём памяти устройства. Полупроводниковая промышленность об этом хорошо осведомлена и занимается разработкой всевозможных креативных решений, включая переход от транзисторов к квантовым вычислениям или применение транзисторов в альтернативных архитектурах, например, в нейронных сетях, для создания более надёжных и эффективных микросхем. Но такие разработки потребуют значительного времени, а нам нужно, по большому счёту, немедленное решение этой проблемы.
The reason why the rate of miniaturization of transistors is slowing down is due to the ever-increasing complexity of the manufacturing process. The transistor used to be a big, bulky device, until the invent of the integrated circuit based on pure crystalline silicon wafers. And after 50 years of continuous development, we can now achieve transistor features dimensions down to 10 nanometers. You can fit more than a billion transistors in a single square millimeter of silicon. And to put this into perspective: a human hair is 100 microns across. A red blood cell, which is essentially invisible, is eight microns across, and you can place 12 across the width of a human hair. But a transistor, in comparison, is much smaller, at a tiny fraction of a micron across. You could place more than 260 transistors across a single red blood cell or more than 3,000 across the width of a human hair. It really is incredible nanotechnology in your pocket right now. And besides the obvious benefit of being able to place more, smaller transistors on a chip, smaller transistors are faster switches, and smaller transistors are also more efficient switches.
Темпы миниатюризации транзисторов замедляются, потому что постоянно растёт сложность процесса их изготовления. До изобретения интегральных схем транзисторы были весьма громоздкими и строились на основе кристаллических кремниевых пластин. И в результате 50 лет непрерывного развития на текущий момент удалось уменьшить размер транзисторов до 10 нанометров. На одном квадратном миллиметре кремниевой пластины можно разместить более миллиарда транзисторов. Для сравнения, толщина человеческого волоса составляет 100 микрон. Диаметр почти невидимого эритроцита составляет 8 микрон, на срезе волоса поместится аж 12 таковых. Для сравнения, транзистор намного меньше, его ширина составляет ничтожную долю микрона. По диаметру эритроцита можно разместить более 260 транзисторов, на срезе человеческого волоса — более 3 000. У вас в кармане прямо сейчас находятся уму непостижимые нанотехнологии. Помимо очевидных преимуществ размещения большего числа транзисторов на чипе, маленькие транзисторы быстрее и значительно эффективнее.
So this combination has given us lower cost, higher performance and higher efficiency electronics that we all enjoy today.
Это сочетание позволило снизить стоимость, увеличить производительность и эффективность замечательной современной электроники.
To manufacture these integrated circuits, the transistors are built up layer by layer, on a pure crystalline silicon wafer. And in an oversimplified sense, every tiny feature of the circuit is projected onto the surface of the silicon wafer and recorded in a light-sensitive material and then etched through the light-sensitive material to leave the pattern in the underlying layers. And this process has been dramatically improved over the years to give the electronics performance we have today.
При производстве интегральных схем транзисторы наращиваются послойно на кристаллической кремниевой пластине. Упрощённо, каждая крошечная деталь схемы проецируется на поверхность кремниевой пластины и записывается на светочувствительный носитель, а затем вытравливается в нём, чтобы сохранить рельеф на его нижних слоях. Этот процесс за последние годы чрезвычайно улучшился, позволив современной электронике достичь сегодняшней производительности.
But as the transistor features get smaller and smaller, we're really approaching the physical limitations of this manufacturing technique. The latest systems for doing this patterning have become so complex that they reportedly cost more than 100 million dollars each. And semiconductor factories contain dozens of these machines. So people are seriously questioning: Is this approach long-term viable? But we believe we can do this chip manufacturing in a totally different and much more cost-effective way using molecular engineering and mimicking nature down at the nanoscale dimensions of our transistors.
Но с уменьшением размеров транзисторов стали заметны физические ограничения этого технологического процесса. Новейшие системы создания рельефа становятся настолько сложны, что каждый станок, по моим сведениям, стóит более 100 миллионов долларов. На заводах по производству полупроводников находятся десятки таких станков. Встаёт серьёзный вопрос о жизнеспособности этого подхода в долгосрочной перспективе. Мы уверены, что производство микросхем можно организовать совершенно по-другому и намного дешевле, используя молекулярную инженерию и имитируя природу в нанодиапазоне наших транзисторов.
As I said, the conventional manufacturing takes every tiny feature of the circuit and projects it onto the silicon. But if you look at the structure of an integrated circuit, the transistor arrays, many of the features are repeated millions of times. It's a highly periodic structure. So we want to take advantage of this periodicity in our alternative manufacturing technique. We want to use self-assembling materials to naturally form the periodic structures that we need for our transistors. We do this with the materials, then the materials do the hard work of the fine patterning, rather than pushing the projection technology to its limits and beyond. Self-assembly is seen in nature in many different places, from lipid membranes to cell structures, so we do know it can be a robust solution. If it's good enough for nature, it should be good enough for us. So we want to take this naturally occurring, robust self-assembly and use it for the manufacturing of our semiconductor technology.
Как я уже сказал, при традиционном производстве все мельчайшие детали схемы проецируются на кремниевую основу. Но в структуре интегральной схемы, в массивах транзисторов, многие элементы повторяются миллионы раз. Это структура с высокой повторяемостью. И мы хотим использовать преимущества этой повторяемости в альтернативной технологии производства. Мы хотим использовать самособирающиеся материалы для естественного формирования повторяющихся структур, необходимых для производства транзисторов. Мы подбираем материалы, делающие всю тяжёлую работу по формированию точного рельефа вместо того, чтобы выжимать всё возможное и невозможное из технологии проецирования. В природе много примеров самосборки, начиная с липидных мембран и заканчивая клеточными структурами, так что мы знаем, что это может быть надёжным решением. То, что приемлемо для природы, должно быть приемлемо и для нас. Мы хотим использовать в технологии производства полупроводников встречающийся в природе надёжный принцип самосборки.
One type of self-assemble material -- it's called a block co-polymer -- consists of two polymer chains just a few tens of nanometers in length. But these chains hate each other. They repel each other, very much like oil and water or my teenage son and daughter.
Один такой тип самоагрегирующегося материала, известный как блок-сополимер, состоит из двух полимерных цепей длиной в несколько десятков нанометров. Но эти цепи не переносят друг друга. Они отталкивают друг друга, как масло и вода, или мои подростки сын и дочь.
(Laughter)
(Смех)
But we cruelly bond them together, creating an inbuilt frustration in the system, as they try to separate from each other. And in the bulk material, there are billions of these, and the similar components try to stick together, and the opposing components try to separate from each other at the same time. And this has a built-in frustration, a tension in the system. So it moves around, it squirms until a shape is formed. And the natural self-assembled shape that is formed is nanoscale, it's regular, it's periodic, and it's long range, which is exactly what we need for our transistor arrays.
Но мы безжалостно соединяем их, создавая, по мере их попыток отделиться, внутренний конфликт в системе, В куске материала таких взаимодействий миллиарды, похожие компоненты пытаются притянуться друг к другу, противоположные — оттолкнуться друг от друга, причём одновременно. Это и есть встроенный конфликт, напряжённость в системе. Всё ходит кругами, выгибается, пока не примет окончательную форму. Самособранная естественным путём в нанодиапазоне форма регулярна, периодична и долговечна, и именно это необходимо для массивов транзисторов
So we can use molecular engineering to design different shapes of different sizes and of different periodicities. So for example, if we take a symmetrical molecule, where the two polymer chains are similar length, the natural self-assembled structure that is formed is a long, meandering line, very much like a fingerprint. And the width of the fingerprint lines and the distance between them is determined by the lengths of our polymer chains but also the level of built-in frustration in the system.
Следовательно, можно использовать молекулярную инженерию для создания форм различных размеров с различной периодичностью. Например, если взять симметричную молекулу с двумя полимерными цепями схожей длины, из неё естественным образом самосборки сформируется длинная извилистая линия, сильно напоминающая отпечаток пальца. Ширина линий отпечатков пальцев и расстояние между ними определяется длиной полимерных цепей и уровнем встроенного в систему конфликта.
And we can even create more elaborate structures if we use unsymmetrical molecules, where one polymer chain is significantly shorter than the other. And the self-assembled structure that forms in this case is with the shorter chains forming a tight ball in the middle, and it's surrounded by the longer, opposing polymer chains, forming a natural cylinder. And the size of this cylinder and the distance between the cylinders, the periodicity, is again determined by how long we make the polymer chains and the level of built-in frustration.
Мы даже можем создать более развитые структуры, используя асимметричные молекулы, где одна полимерная цепь намного короче другой. В таком случае образуется следующая структура: короткие цепи формируют в центре плотный шар, окружённый длинными, противоположными полимерными цепями, образующими естественный цилиндр. Размер этого цилиндра и расстояние между цилиндрами, их периодичность опять же зависят от длины полимерных цепей и уровня встроенного конфликта.
So in other words, we're using molecular engineering to self-assemble nanoscale structures that can be lines or cylinders the size and periodicity of our design. We're using chemistry, chemical engineering, to manufacture the nanoscale features that we need for our transistors.
Иными словами, мы используем молекулярные технологии для формирования самособирающихся структур в нанодиапазоне в виде линий или цилиндров с требуемыми размерами и периодичностью. Мы используем химию, химические технологии, чтобы производить детали для транзисторов в нанодиапазоне.
But the ability to self-assemble these structures only takes us half of the way, because we still need to position these structures where we want the transistors in the integrated circuit. But we can do this relatively easily using wide guide structures that pin down the self-assembled structures, anchoring them in place and forcing the rest of the self-assembled structures to lie parallel, aligned with our guide structure. For example, if we want to make a fine, 40-nanometer line, which is very difficult to manufacture with conventional projection technology, we can manufacture a 120-nanometer guide structure with normal projection technology, and this structure will align three of the 40-nanometer lines in between. So the materials are doing the most difficult fine patterning.
Способность этих структур к самосборке является только половиной решения проблемы, нам всё ещё нужно их расположить в интегральных схемах на месте транзисторов. Это достигается относительно просто с использованием широких направляющих фиксаторов, крепящих самособранные структуры по месту и выстраивающих параллельно аналогичные структуры, присоединяя их к направляющим. Например, для создания тонкой 40-нанометровой линии, которую очень тяжело создать с традиционной проекционной технологией, можно построить с обычной технологией 120-нанометровую направляющую структуру, и эта структура объединит три 40-нанометровых линии между ними. То есть материалы сами по себе создают сложный рельеф.
And we call this whole approach "directed self-assembly." The challenge with directed self-assembly is that the whole system needs to align almost perfectly, because any tiny defect in the structure could cause a transistor failure. And because there are billions of transistors in our circuit, we need an almost molecularly perfect system. But we're going to extraordinary measures to achieve this, from the cleanliness of our chemistry to the careful processing of these materials in the semiconductor factory to remove even the smallest nanoscopic defects.
Мы называем этот подход «управляемая самоагрегация». Проблема с этим состоит в том, что всю систему нужно выстроить практически идеально, поскольку малейший изъян в структуре приведёт к неисправности транзистора. И поскольку в наших схемах миллиарды транзисторов, нужна практически идеальная молекулярная система. Но чтобы этого достичь, мы собираемся приложить все возможные усилия, от чистоты химических веществ до тщательной обработки материалов на полупроводниковых заводах, чтобы не допустить ни малейшего наноскопического дефекта.
So directed self-assembly is an exciting new disruptive technology, but it is still in the development stage. But we're growing in confidence that we could, in fact, introduce it to the semiconductor industry as a revolutionary new manufacturing process in just the next few years. And if we can do this, if we're successful, we'll be able to continue with the cost-effective miniaturization of transistors, continue with the spectacular expansion of computing and the digital revolution. And what's more, this could even be the dawn of a new era of molecular manufacturing. How cool is that?
Так что управляемая самоагрегация — это новая интересная передовая технология, но она всё ещё находится на стадии развития. Но в нас растёт уверенность, что всего лишь через несколько лет её можно будет применить как революционный производственный процесс в полупроводниковой промышленности. Если мы этого добъёмся, если всё пройдёт успешно, мы сможем продолжить недорогое уменьшение транзисторов, продолжить распространение вычислительных возможностей и цифровой революции. Может быть, это будет рассвет новой эры производства на молекулярном уровне. Здорово, не правда ли?
Thank you.
Спасибо.
(Applause)
(Аплодисменты)