Недостатки твердотельных ключей заставляют некоторых инженеров-электриков искать механические альтернативы для цифровых микросхем
Группа инженеров технического колледжа Университета Карнеги-Меллона изучает способы создания надежных механических переключателей нанометрового размера, называемых также нанореле, которые будут столь же миниатюрными, как современные твердотельные ключи.
«Наша цель – создать механические переключатели размером с молекулу ДНК, – говорит исследователь из Карнеги-Меллона Джанлука Пьяцца (Gianluca Piazza). – Для этого мы используем материал, который при нагревании претерпевает фазовое превращение и расширяется на 10%. Примерно такое же изменение объема претерпевает вода при замерзании. Эта трансформация создает достаточную силу и смещения, чтобы перекрыть зазоры нанометрового размера и сформировать хорошие электрические контакты».
 |
| Джанлука Пьяцца. |
Электронная промышленность могла бы использовать эти небольшие механические переключатели для замены или, по крайней мере, в качестве альтернативы твердотельным ключам. Хотя твердотельные ключи исключительно надежны, они уже не могут стать намного меньше. Кроме того, они имеют тенденцию пропускать ток, даже тогда, когда должны быть выключены. Как следствие, по мере уменьшения размеров твердотельных ключей их энергоэффективность снижается. При столь широком распространении цифровых схем общее количество энергии, теряемой в этих ключах, считается огромным.
В то время как большинство настенных выключателей имеют такие же размеры и производятся так же, как и 50 лет назад, размеры твердотельных версий за тот же период сократились в 1 миллион раз, что позволило использовать их миллиардами на компьютерных чипах.
Преимуществом механических переключателей является то, что они открывают и закрывают физический промежуток, предотвращая утечки тока. Однако механические переключатели примерно в 10,000 раз больше, чем твердотельные, даже при использовании процессов, подобных тем, которые используются при производстве твердотельных батарей. К тому же они намного менее надежны, чем их твердотельные аналоги.
«Несмотря на простоту концепции, физика поверхностного контакта механического переключателя сложна, и требует решения междисциплинарных задач, – говорит Мартен де Бур (Maarten de Boer), профессор машиностроения в Карнеги-Меллон. – Из-за небольшой шероховатости контактирующих поверхностей их механические напряжения близки к пределу, который могут выдержать используемые материалы».
 |
| Мартен де Бур. |
«На контактных поверхностях могут накапливаться углеводороды из атмосферы и увеличивать электрическое сопротивление», – добавляет он. – Поверхности могут стать липкими, и переключатель больше не разомкнется… Для решения этих проблем мы изучим оксиды».
 |
 |
Исследователи уже разработали масштабируемую архитектуру устройства, работающую на микроуровне. Следующие шаги заключаются в расширении этой архитектуры до наноуровня и увеличении количества циклов переключения. Команда рассчитывает, что в случае успеха результаты смогут найти применение в ряде электронных устройств, используемых для хранения данных, вычислений и Интернета вещей.
