Топологические транзисторы - прорыв в цифровой электронике

Топологические транзисторы и телеметрия.

Какая может быть связь между этими технологическими направлениями?
А связь между ними настолько серьезна, что разработчики, которые её вовремя не увидят, останутся аутсайдерами современной технологической гонки, марафона, в котором выживут лишь те, кто умеет заглянуть хотя бы в ближайшее будущее. 

Начало этой гонке было положено публикацией наших ученых Б.А. Волкова и О.А. Панкратова в 1985 году, предсказавших особое состояние электронов в поверхностном слое диэлектриков, в котором они ведут себя согласованно и движутся организованно, как солдаты в колонне по одному. Управление этой колонной осуществляется квантовым спин-орбитальным взаимодействием частиц. Дальше события развивались стремительно. Были найдены природные диэлектрики с такими свойствами и синтезированы искусственные. А последняя работа Австралийских ученых (Университет Монаш, 2018 г.),  создавших на базе этих исследований топологический транзистор, показала, что кремниевые микросхемы процессоров скоро уйдут в прошлое и будут заменены на квантово-топологические.  

Поскольку транзисторы являются основой всей электроники, бытовой и промышленной, нам нужно правильно спланировать свою работу, расставить приоритеты, сконцентрировать ресурсы на самых перспективных направлениях телеметрии, сбора данных с датчиков, испытаний и мониторинга движущихся узлов и машин.   При этом нужно понимать,что речь не идет о квантовых компьютерах, вся логика и программные средства остаются при этом теми же самыми,тогда как программирование квантовых компьютеров настолько отличается от традиционного, что доступно пока лишь единицам, да и число компьютеров на кубитах можно пересчитать на пальцах.

Так что же несет с собой это открытие:

• Предельную миниатюризацию. Простое увеличение числа транзисторов на квадратный миллиметр кристалла кремния в два раза каждые два года (эмпирический закон Мура) привело к тому, размеры транзисторов приблизились к размерам кристаллической решетки и стали проявляться квантовые эффекты, нарушающие работу классических электронных схем. И если продолжать движение в эту сторону, то надо делать квантовые компьютеры с принципиально другими логическими схемами и программированием. Т.е полностью отказаться от традиционной компьютерной электроники и ПО. Выход из этого тупика открывается с созданием топологического транзистора. Можно работать с существующим ПО, заменив лишь основной переключающий элемент логических схем - транзистор.

• Сверхнизкое энергопотребление.Поскольку топологический транзистор управляется напряжением (как полевой транзистор), а не током, то для управления практически не требуется потребления энергии, более того, гораздо меньше потерь энергии будет и при выполнении транзистором функции пропускания тока на управляющие схемы, так как при движении электронов по граничным  зонам отсутствует рассеяние  при столкновении их друг с другом. Т.е. наблюдается эффект сверхпроводимости при комнатной температуре.

• Эффект упорядоченного движения в тонкой граничной области топологического изолятора/транзистора характерен не только для электронов, но и для фотонов. А это открывает широкие перспективы использования таких транзисторов в лазерной технике. Можно представить себе, например, размещение такой топологической структуры на вращающемся валу двигателя и накачку её энергией с помощью внешнего неподвижного источника света. 
  

Ограничения по энергопотреблению и миниатюризации больше не тормозят развитие телеметрии.

Как известно, главными трудностями развития телеметрии валов, например, и вообще, узлов, движущихся с большими скоростями, являются ограничения реальной электроники по числу транзисторов на квадратный миллиметр подложки и потребляемой этими транзисторами энергии, которую на вращающийся объект приходится доставлять с помощью электромагнитной индукции. 

А теперь представим себе, что этих ограничений больше нет, что энергии для передатчиков, усилителей и преобразователей сигналов с тензодатчиков (или других датчиков), нужно так мало, что её можно передать на вращающуюся деталь лазером! А какими могут стать процессоры на таких инновационных транзисторах, и реальной станет даже сверхпроводимость при комнатной температуре..

.
Вы скажете - все это фантазии, до реализации которых мы не доживем. И вот тут мы совершаем большую ошибку. Разумеется, ни компания KMT, или её дистрибьютор в России компания Промтекс вместе с другими технологическими компаниями не смогут своими ресурсами существенно  ускорить приближение этого технологического переворота, который даже нельзя назвать революцией из-за близости последнего термина с термином эволюция. Но!

Кто больше всех заинтересован в снижении энергопотребления электроники?

Решающий вклад в приближение этого технологического переворота внесут разработчики и реализаторы систем криптовалютного бизнеса, процессоров и различного вида цифровых сверхбольших микросхем (СБИС). Ведь майнинговые операции являются, пожалуй, самыми энергозатратными операциями в мире. Попытка уйти от Блок-чейна к  альтернативным криптотехнологиям с меньшими энергозатратами жестко наказывается хакерами с большими финансовыми потерями.

Применение топологических транзисторных структур окажет радикальное влияние и на аналоговую схемотехнику, от усилителей/преобразователей сигналов с датчиков до появления новых датчиков на базе топологических изоляторов.

Главное отличие топологических транзисторов от кремниевых

В чем же принципиальное отличие топологических структур от традиционных кремниевых  аналогов? 

В топологических транзисторах движение электронов внутри ячейки полупроводника не возможно, зато оно происходит свободно вдоль границ ячейки, причем однонаправленно (для электронов с данным направлением спина), не встречая при этом связанного с рассеянием сопротивления. В результате не происходит потерь энергии на переключение, которые характерны для работы обычных транзисторов в режиме переключателей. Процессору на таких транзисторах не понадобится кулер. (Но еще более перспективным является создание квантового компьютера на основе коллективно согласованного поведения электронов в ультратонких пленках.) Помимо экономичности в топологических транзисторах достигается также более высокое быстродействие. Управлять переключением можно электрическим полем (а не током).

Топологические структуры и системы сбора данных с датчиков

Применение новых технологий скажется и на развитии систем сбора данных с датчиков. 

Повышенное быстродействие позволит по другому подойти и к обработке информации с датчиков крутящего момента, шире применять оптические энкодеры, создавать более совершенные системы мониторинга состояния вращающихся узлов.

В пограничной области устойчиво распространяются не только потоки электронов, но и фотонов, что уже используется в лазерной технике. Если посмотреть на существующие сейчас модульные системы сбора данных с датчиков, то бросается в глаза наличие двух аккумуляторов для гарантированного обеспечения сохранности и целостности массива собранных данных при сбое по электропитанию. Память на топологических транзисторах практически полностью снимет эту проблему, а повышенное быстродействие приведет к тому ,что при том же числе каналов можно будет расширить динамический диапазон на канал и обеспечить многоканальный сбор сигналов, меняющихся с частотами до 20 кГц, что необходимо, например,  для диагностики состояния подшипников. (Используется, в частности, в одноканальных ручных тестерах колебаний Fluke и др.)  

В связи с общим значительным повышением вычислительных мощностей появятся новые услуги, например, для стенда испытаний высокооборотистых двигателей можно будет арендовать (купить краткосрочную лицензию) на несколько дней программный пакет из серии порядковый анализ у фирмы, которая в основном занимается программными средствами на основе быстрого преобразования Фурье.  Причем сделать все это, включая оплату лицензии, можно будет в процессе установки и настройки ПО поддержки испытательного стенда.  

Желающих узнать подробнее об этом перспективном открытии отсылаем к публикации в журнале Nature:
Electric-field-tuned topological phase transition in ultrathin Na3Bi. Nature, 2018