Стартап OCSiAl из Новосибирска является мировым монополистом по производству одностенных графеновых углеродных нанотрубок. Это материал будущего, который обещает революцию в аккумуляторах, электронике и в других сферах производства. Сегодня акциями OCSiAl почти полностью владеет АО «Роснано», но вскоре стартап рассчитывает выйти на биржу и стать публичной компанией, что откроет новые возможности для развития.

Основные типы углеродных нанотрубок. Источник изображения: Википедия

О планах OCSiAl выйти на биржу сообщил ресурс The Bell со ссылкой на потенциальных инвесторов. Два года назад компания OCSiAl названа основателем и главой АО «Роснано» Анатолием Чубайсом «единорогом» «Роснано» и фактически первой такого рода компанией в России. Термином «единорог» называются стартапы, рыночная стоимость которых перевалила за $1 млрд.

Экономисты поставили под сомнение такое определение OCSiAl, поскольку условно посторонний инвестор купил всего 0,5 % акций OCSiAl за $5 млн. Покупателем акций стала компания A&NN Александра Мамута, поэтому говорить о миллиардной капитализации OCSiAl можно с определёнными допущениями. Тем не менее, в OCSiAl собираются собрать новый раунд инвестиций и оценивают свою капитализацию уже на уровне $2 млрд, а после выхода на биржу (IPO) надеются увеличить рыночную стоимость до $3,5 млрд и через десять лет — до $100 млрд.

По данным источника, новый раунд инвестиций призван погасить взятые OCSiAl займы у «Роснано» и помочь с хорошим стартом на бирже. Это обещает помочь компании OCSiAl снизить зависимость от «Роснано», которая уже вложила в производителя теми или иными способами свыше $60 млн. Ожидается, что выход на IPO по схеме объединения со SPAC произойдёт либо в конце 2021 года, либо в начале 2022 года.

Компанию OCSiAl основали местный предприниматель Юрий Коропачинский и академик РАН Михаил Предтеченский. Последний придумал, как синтезировать и производить в промышленных масштабах одностенные нанотрубки из графена. В 2019 году OCSiAl обеспечила 92 % мирового производства этого материала. Выручка при этом составила $14 млн. В 2019 году компания произвела 23 тонны нанотрубок, хотя продала только 35 % продукции. В 2020 году продажи остались без изменения.

По словам источников, OCSiAl делает ставку на графеновые литиевые аккумуляторы, которые станут более ёмкими — не менее, чем на 75 % и будут на 15 % дешевле современных батарей. Также графен в составе аккумуляторов позволит батареям заряжаться намного быстрее. Это хорошие перспективы, но ими надо воспользоваться.

Группа учёных из Пекинского университета сообщила о прорыве в разработке техпроцессов производства чипов с использованием углеродных нанотрубок. Утверждается, что новая разработка позволит Китаю удерживать на этом направлении технологическое преимущество как минимум в течение двух лет.

100-мм кремниевая пластина с массивами упорядоченных углеродных нанотрубок (CCTV)

Учёные смогли воспроизвести на 100-мм кремниевой пластине параллельные массивы углеродных нанотрубок с плотностью 120 шт. на один микрон. Чистота материала составила 99,9999 %. Для массового производства это недостаточное значение. Чтобы приступить к серийному выпуску чипов на углеродных нанотрубках, необходимо достичь чистоты ещё на 2–3 порядка больше.

Китайцы уверены, что за 2–3 года они смогут создать рабочий техпроцесс на углеродных трубках с нормами 90 нм для производства на 200-мм пластинах. И пусть вас не смущают «отсталые» технологические нормы: транзисторы с затворами на углеродных нанотрубках по характеристикам значительно опережают кремниевые транзисторы с аналогичным по размерам затвором. Например, транзисторы с 5-нм затвором на углеродных нанотрубках будут близки по параметрам транзисторам с кремниевыми затворами размером 1,5–2 нм.

Как считают китайские учёные, им не нужно немедленно гнаться за нанометрами. Используя морально устаревшее производственное оборудование, что жизненно важно в условиях международных санкций, китайские производители смогут получать «нанотрубочные» чипы с частотным и энергоэффективным потенциалом не хуже или как минимум не намного хуже, чем самый передовой кремний TSMC, Samsung, Intel и других иностранных компаний. Это как попасть в червоточину для преодоления межзвёздных пространств, пока другие будут столетиями плестись на досветовых скоростях.

Японская Fujitsu разработала первую в мире теплопроводную прокладку на углеродных нанотрубках в виде листа с клейким основанием. Теплопроводность плёнки достигает внушительных 100 Вт/м·К. Утверждается, что это до трёх раз лучше, чем обеспечивают теплопроводящие материалы на основе индия. Тонкие и гибкие плёнки помогут охлаждать поверхности с искривлённой геометрией и миниатюрные полупроводниковые приборы.

Термоплёнки Fujitsu на углеродных трубках с клейким основанием

Теплопроводность углеродных нанотрубок в десять раз выше, чем у меди. Проблемой было создать теплопроводный слой из нанотрубок в виде удобного для работы материала с клейким основанием. Например, в виде подходящего для резки на части листа или плёнки. Другой трудностью долго оставалась проблема низкой теплопроводности связующего углеродные трубки клея (смолы), а также относительная хрупкость самих нанотрубок, что препятствовало гибкости материала.

Исследователи Fujitsu решили все проблемы и готовы предоставлять лицензию на новый отводящий тепло материал всем заинтересованным производителям. В компании считают, что новшество будет с энтузиазмом воспринято в среде производителей электроники для электромобилей. Например, блоки питания и преобразователи для электротранспорта начинают делать с использованием силовых полупроводников на основе нитрида галлия. Такие решения на порядок меньше по размерам, чем на кремниевых элементах, но это же и означает необходимость уделять больше внимания системам отвода тепла. Плёнки Fujitsu на углеродных нанотрубках готовы взять эту работу на себя.

Структура термоплёнок Fujitsu на углеродных нанотрубках

Углеродные трубки в составе термолистов Fujitsu расположены не как попало, а строго вертикально (перпендикулярно подложке). Это делает отвод тепла от одного края листа к другому максимально продуктивным без рассеивания внутри слоя. От повреждений углеродные трубки защищены двумя специальными внутренними слоями, а толщина клея (ламината), которым концы трубок крепятся к подложке, выбрана таким образом, чтобы не сильно снижать теплопроводность. В результате даже с клеем и клеевой основой теплопроводность нового материала Fujitsu составила 100 Вт/м·К. Это примерно в четыре раза меньше, чем у чистой меди, но сфера и удобство применения тонких наноуглеродных плёнок обещают оказаться намного больше.

Обычные полупроводники плохо реагируют на повышенный радиационный фон. Излучение приводит к спонтанным процессам в кремнии, что чревато сбоями и ошибками при работе с памятью. Это неприемлемо для ведения боевых действий в условиях радиационного поражения. Также устойчивость электроники к жёсткому излучению была бы кстати в мирных условиях: в космических аппаратах, в медицинской технике и не только.

Помощь в создании устойчивых к жёсткому излучению чипов американским военным будет оказывать компания SkyWater. Это спин-офф известного разработчика чипов компании Cypress Semiconductor. Компания SkyWater отличилась тем, что разработала промышленную технологию выпуска чипов на углеродных нанотрубках и довела разработку до выпуска опытных решений. В перспективе, уверяют в SkyWater, 90-нм многослойные монолитные чипы компании на памяти PRAM и транзисторах на углеродных нанотрубках (по структуре они похожи на 3D NAND) будут в 50 раз производительнее современных 7-нм SoC.

Вчера SkyWater сообщила, что министерство обороны США выделит компании $180 млн на создание технологии и развёртывание производства чипов, устойчивых к жёсткой радиации (Rad-Hard). Эти чипы должны выдерживать намного более интенсивное облучение, чем современные толерантные к излучению полупроводники. Например, речь идёт об открытом космосе и о действиях на полях сражений с применением ядерного вооружения. В то же время SkyWater обещает, что параллельно компания будет вести гражданскую линию продуктов, которые также найдут применение в массовой потребительской электронике.

Первый транш в размере $80 млн компания SkyWater планирует потратить на строительство новой чистой комнаты площадью 5574 м² на собственном производстве. Тем самым SkyWater подтверждает, что будет не только создавать технологии, но также намерена стать производственным подрядчиком Министерства обороны США. Также на первом этапе финансирования компания намеревается нанять от 30 до 50 высококлассных инженеров к уже имеющемуся штату из 500 специалистов.

Процессор на транзисторах из углеродных нанотрубок (MIT)

На следующем этапе финансирования SkyWater планирует заменить алюминиевые проводники в чипах на медные соединения. Это изобретённая ещё в 90-е так называемая дамасская технология IBM, которую, например, компании Intel и AMD используют с начала 2000-х годов. Переход SkyWater на медь позволит снизить технологические нормы производства с 90 нм на 65 и даже 45 нм. Отметим, в пресс-релизе нет упоминания о чипах на углеродных нанотрубках. Однако SkyWater уже работает с DARPA по этому проекту, и вряд ли она дальше будет заниматься чем-то иным.

Первый полностью рабочий процессор на транзисторах из углеродных нанотрубок произнёс свои первые слова, которыми стали «Hello, World!». Статья о работе опубликована в свежем номере издания Nature. Судя по всему, речь идёт о разработке, первое сообщение о которой прозвучало месяц назад на одном из плановых мероприятий под эгидой агентства DARPA.

Процессор на транзисторах их углеродных нанотрубок (MIT)

Напомним, стартап SkyWater совместно с компанией Analog Devices разрабатывают технологию изготовления многослойных микросхем на основе транзисторов из углеродных нанотрубок. На конференции DARPA в середине июня глава SkyWater и сотрудник MIT Макс Шулакер (Max Shulaker) показал первую выпущенную на производстве кремниевую пластину с процессорами на углеродных нанотрубках. Статья в Nature, судя по всему, проливает свет на эту разработку.

Макс Шулакер с кремниевой пластиной с процессорами на CNT (DARPA)

Использование новых материалов для выпуска чипов необходимо по той простой причине, что полупроводники исчерпали себя с точки зрения дальнейшего снижения норм технологического процесса. Это было ведь так просто! Уменьшай размер элемента на кристалле, а всё остальное ― производительность и потребление ― приложится. Увы, после снижения разрешения до единиц нанометров дальнейший прогресс стал невозможен. По крайней мере, за разумные деньги.

MIT

Углеродные нанотрубки с их чудесными электрическими свойствами и малыми размерами (до 2 нм в диаметре) обещают высокие токи и малые задержки в существенно меньшем объёме пространства затвора транзистора. Проблема в том, что углеродные нанотрубки сегодня ― это хаос в ориентации, объёме и в чистоте материала. Учёные пока не научились выращивать отдельные нанотрубки в нужном месте (между затворами транзистора) с нужной ориентацией (от одного затвора к другому) и в необходимом количестве (в идеале ― одной трубки на транзистор). Разработка SkyWater ― это попытка борьбы с хаосом, которая похожа на положительный результат.

Разработчики создали техпроцесс, который можно реализовать на современном КМОП-производстве чипов. На кристалле обычными методами проецирования и травления создаются металлические контакты в виде затворов и проводников для сигналов и питания. Затем на кристалл осаждается массив углеродных нанотрубок, на который затем наносится специальный материал, играющий роль фоторезиста. Этот материал связывает нанотрубки и затем с помощью обработки ультразвуком выламывается вместе с ними в тех местах, где они не нужны.

Там где трубки нужны ― между затворами в качестве каналов транзисторов ― дополнительно происходит обработка фоторезиста с вымыванием значительной части лишних нанотрубок. То, что остаётся, работает в качестве каналов n- или p-типа. Проводимость (тип канала) определяется нанесением поверх нанотрубок дополнительного оксидного слоя. Это аналогично легированию полупроводников, поскольку в сами нанотрубки невозможно внести дополнительные примеси.

Остаётся проблема с чистотой материала. Для полупроводников чистота важна, но это требование не столь сильно, как в случае нанотрубок. Среди углеродных нанотрубок могут попадаться металлические. Если в затворе транзистора будет даже одна металлическая нанотрубка из сотен тысяч, то она значительно изменит характеристики транзистора. Победить это невозможно, но можно возглавить. Разработчики научились использовать такие «дефектные» транзисторы при проектировании чипа и они нормально работают в логике схемы.

Итак, что же в результате получилось? На основе транзисторов на углеродных нанотрубках группа Макса Шулакера с использованием открытого набора команд RISC-V создала 32-битный процессор с 16-битной адресацией памяти. Процессор содержит свыше 14 000 транзисторов, каждый из которых полностью рабочий, что подтверждается отработкой программы с выводом фразы «Hello, world! I am RV16XNano, made from CNTs.». Транзисторы сгруппированы в инверторы, а из инверторов построена остальная необходимая логика. Процессор отрабатывает обычные 32-битные инструкции RISC-V без каких-либо модификаций. Конечно, 14K транзисторов ― это не то, что хотелось бы увидеть, но с чего-то ведь надо начинать?

Углеродным нанотрубкам нашли ещё одно применение. Несколько дней назад в журнале Nature Scientific Reports вышла статья, в которой впервые рассматривается возможность использования в магнитной записи на жёстких дисках многостенных углеродных нанотрубок (Multiwall carbon nanotubes, MWCNT). Это разнообразные сложные CNT-структуры в виде «матрёшки», «свёртков» и других конструкций. Задача во всех случаях сводится к одному ― нафаршировать каждую такую сложную углеродную нанотрубку магнитными наночастицами. Каждые магнитные наночастицы в отдельности не дадут эффекта записи данных. Изменить намагниченность можно только целой трубки, но это всё равно будет плотнее, чем записать магнитный домен на обычной магнитной пластине HDD. Многократно плотнее.

Исследование магнитной записи на MWCNT провели учёные из Университета штата Аляска (Фэрбанкс) и ряда других научных учреждений США и Чешской Республики. Одним из руководителей проекта стал чешский учёный Гюнтер Клетечка (Gunther Kletetschka). Специалист отмечает, что существующие методы повышения плотности записи на магнитных дисках HDD уже не отвечают скорости роста данных. Для обуздания роста данных необходимо, чтобы плотность хранения данных на жёстких дисках каждый год росла на 40 %, а последние годы она растёт на 10–15 % в год. Запись с использованием углеродных магнитных трубок может стать ответом на вызовы информационного времени, но для этого ещё предстоит проделать колоссальную исследовательскую работу.

Суть открытия состоит в том, что углеродные нанотрубки с магнитными наночастицами внутри подвергали воздействию электромагнитного поля разной амплитуды и разной частоты. Изготовление нафаршированных наночастицами углеродных трубок, кстати, проводилось с помощью осаждения в газовой среде ― ничего нового. При подаче магнитного поля с частотой до 10 кГц ничего не происходило (сказывался поверхностный эффект проводимости углеродных нанотрубок), но с ростом частоты свыше 10 кГц и при уменьшении амплитуды поля возникал эффект намагниченности углеродной нанотрубки с магнитными наночастицами. Как считают учёные, внешнее поле приходило в соответствие с магнитным полем отдельных частиц, что позволили придать нанотрубке устойчивую намагниченность в заданном направлении.

У учёных пока нет предложений, каким образом и как создать записывающие и считывающие механизмы для записи данных на массиве углеродных нанотрубок, но они обещают хорошо поработать в этом направлении, ведь со временем данных меньше не станет.

В интервью сайту EE Times исполнительный директор компании Nantero сообщил, что её специалисты завершили разработку энергонезависимой версии памяти DDR4 на основе уникальной ячейки памяти NRAM. Память NRAM компания Nantero разрабатывает свыше 15 лет. В основе ячейки лежат углеродные нанотрубки. Скорость переключения ячейки NRAM приближается к скорости работы типичной оперативной памяти. Например, скорость записи составляет 5 нс. В то же время ячейка NRAM не теряет информацию в случае пропадания питания. Сочетание скорости и энергонезависимость делают память на углеродных нанотрубках интереснейшим явлением в мире полупроводников. Интересно только одно, когда же NRAM появится на рынке?

Напомним, одной из первых выпускать микроконтроллеры со встраиваемой 55-нм памятью NRAM пообещала компания Fujitsu. Это должно было произойти в 2018 году. Руководство Nantero сообщило, что данное событие отодвинуто на 2019 год. Поскольку Nantero лишь создаёт проекты и распространяет их на основе лицензирования IP-блоков, компанию нельзя винить в задержках с производством.

Что касается разработки NRAM DDR4, то она рассчитана на выпуск с использованием техпроцесса с нормами 28 нм, что, кстати, идеально подходит для одного из стратегических инвесторов Nantero — крупнейшего в Китае контрактного производителя чипов компании SMIC (Nantero финансируется через подконтрольную SMIC структуру). На днях, что интересно, Nantero собрала очередной раунд инвестиций, получив определённую сумму от 8 компаний, 5 из которых в своё время стали самыми первыми инвесторами компании. Особенно в Nantero гордятся тем, что её разработки финансируют компании из списка 10 крупнейших в мире полупроводниковых производителей.

Память NRAM прошла заводские испытания (Nantero)

Массовое производство памяти NRAM DDR4 обещает оказаться не дороже выпуска памяти DRAM DDR4. Этому поспособствуют два фактора. Во-первых, возможность многослойной структуры, что напоминает структуру 3D NAND. Это позволит увеличить плотность записи без увеличения площади чипа. Во-вторых, схемотехническая реализация массива NRAM DDR4 много проще, чем массива DRAM DDR4. Например, перекрёстное строение NRAM (подобно ReRAM) требует намного меньше управляющих элементов в виде переключателей шин, чем в случае памяти типа DRAM.

Наконец, в компании сообщили, что ведутся разработки одиночных чипов NRAM для таких сфер использования, как кеширующие буферы для SSD и HDD. Также в компании подтвердили намерение проникнуть в сферу автомобильной электроники (память NRAM выдерживает экстремальные температуры без потери данных) и в сферу ИИ (без этого теперь никуда). Задел на будущее обозначен тем, что структура NRAM обещает сохранить работоспособность в случае снижения масштаба техпроцесса до 5 нм. Память NAND и DRAM подобным похвастаться не могут. Для одной и другой экономически выгодный предел производства заканчивается на 15 нм или чуть меньше.

Углеродные нанотрубки, как известно, обладают целым рядом уникальных свойств, начиная от высочайшей прочности, в разы выше прочности стали, заканчивая высокой электропроводностью. Это делает их поистине фантастическим материалом, который должен найти применение в самых различных областях, начиная от интегральных микросхем и топливных элементов, заканчивая созданием сверхпрочных нитей (в том числе изготовление троса для космического лифта) и искусственных мышц. Однако, как и многие новые для науки материалы, он таит в себе и определенные опасности, в частности, по воздействию на организм человека и животных. Последние данные, опубликованные британским агентством медицинский исследований Medical Research Council (MRC), предупреждают нас о том, что углеродные нанотрубки могут оказаться достаточно сильным канцерогеном, по свойствам близким к асбесту.

Схематическая структура углеродных нанотрубок

Исследования сотрудников MRC указывают на то, что биологически устойчивые волокна, имеющие большую протяженность, приводят к возникновению серьёзных болезней лёгких, например, мезотелиомы, злокачественного новообразования развившегося из ткани, выстилающей поверхность грудной, брюшной или сердечной полости. Медикам известно, что основным фактором риска возникновения мезотелиомы является контакт с асбестом. Теперь в группе риска находится и уникальный по своим свойствам материал. Дело в том, что организму достаточно тяжело избавиться от микроскопических, химически крайне нейтральных частиц, какими и являются углеродные нанотрубки.

На данный момент учёные пока с осторожностью дают какие-либо прогнозы. Углеродные нанотрубки пока только входят в нашу жизнь, и не существует ещё статистических данных в достаточном количестве, чтобы с уверенностью говорить об их канцерогенности. Однако по своим «биологическим» свойствам они очень близки к асбесту, широко известному канцерогенному материалу, от применения которого сегодня активно отказываются. Возрастающие объёмы производства углеродных нанотрубок заставляют медиков серьёзнее относиться к этой угрозе. Разумеется, речи об отказе от производства и использования новейшего материала пока не идёт, но надо с крайней осторожностью относиться к возможным последствиям длительного контакта человеческого организма с нанотрубками. По крайней мере, до тех пор, пока не будут получены надёжные данные об их безопасности.