Проектирование пикоэлектронных технологий

В.К. Петросян (Вадимир). Мировая пикоэлектроника. Прошлое, настоящее, будущее. Проектирование Метаразвития. Тома 1-6

Проектирование пикоэлектронных технологий

1. Перспективные материалы
2. Формирование функциональных структур
3. Архитектуры вычислительных элементов
4. Методы интеграции и соединения устройств
5. Воспроизводимость, надёжность и производственная масштабируемость
6. Поиск радикального снижения стоимости вычислений


*********

© В.К.
Петросян (Вадимир) © Lag.ru [Large Apeironic Gateway, Большой Апейронический
Портал (Шлюз), Суперпортал в Бесконечность].

При копировании данного материала и размещении его на другом сайте, ссылки
на соответствующие локации порталов Lag.ru и Proza.ru обязательны

Работа написана на основе концепции и разработок В.К. Петросяна при полноценном соавторстве (активном творческом и техническом участии) ChatGPT (OpenAI), GPT-5.6 Sol

******

Проектирование пикоэлектронных технологий

От управляемой атомарной структуры — к воспроизводимой электронной функции, интегрированной технологической платформе и новой экономике вычислений.

Введение. От физической возможности к проектированию технологии
В предыдущей главе была сформулирована исходная концепция пикоэлектроники как перспективной научно-технологической субтехнологии Метаразвития.

Показано, что переход к PICO нельзя отождествлять с простым уменьшением традиционных транзисторов до геометрических размеров порядка одного пикометра.

Физический смысл соответствующего перехода заключается в другом.

Необходимо научиться использовать специально созданные атомарные конфигурации, электронные состояния и контролируемые параметры пикометрового масштаба для выполнения полезных электронных функций.

Однако между открытием нового физического эффекта и возникновением полноценной электронной технологии существует значительное расстояние.

Можно создать экспериментальную структуру, состоящую из нескольких атомов.

Можно обнаружить необычный механизм переноса электрического заряда.

Можно продемонстрировать переключение состояния одной молекулы или управление спином отдельного атома.

Но ни один из этих результатов сам по себе ещё не означает появления новой технологической платформы.

Для этого необходимо решить существенно более сложную задачу.

Нужно установить, какие материалы обеспечивают необходимую электронную функцию.

Разработать способы воспроизводимого создания соответствующих структур.

Определить архитектуры отдельных элементов и их объединений.

Обеспечить управление, считывание, передачу информации и питание.

Создать методы метрологического контроля.

Доказать устойчивость характеристик при многократной эксплуатации.

И, наконец, определить возможность изготовления подобных устройств в экономически приемлемых масштабах.

Таким образом, предметом настоящей главы становится не отдельный атомарный прибор, а целостная технология проектирования и производства пикоэлектронных систем.

Особую роль приобретает системный подход.

В традиционной микроэлектронике материал, транзистор, интегральная схема и вычислительная архитектура исторически образовали взаимосвязанную систему проектирования.

Для перспективной PICO необходимо создать аналогичную взаимосвязь, хотя её физические основания могут существенно отличаться от классической CMOS-технологии.

Следовательно, исследовательская программа должна охватывать несколько взаимозависимых уровней:

физическое состояние и атомарную структуру;
функциональный электронный элемент;
взаимодействующие электронные устройства;
интегрированную вычислительную или измерительную систему;
воспроизводимый производственный процесс;
экономику изготовления и эксплуатации.
Принципиально важно, что успех на одном уровне не гарантирует успеха на последующих.

Атомарно-точное размещение примеси не гарантирует создания надёжной логической схемы.

Высокая скорость переключения отдельного устройства не гарантирует повышения производительности компьютера.

Минимальная энергия одного электронного перехода не означает минимальной стоимости вычислительной операции.

Поэтому проектирование пикоэлектроники должно изначально осуществляться как согласованное исследование физики, архитектуры, производства и экономики.

Именно такой подход соответствует задачам генеральной технологии Метаразвития.

4.1. Перспективные материалы
4.1.1. Почему выбор материала определяет будущее PICO
Материал является физическим основанием любого электронного устройства.

В традиционной микроэлектронике особое историческое значение приобрёл кремний.

Его электронные, химические и технологические свойства позволили создать промышленную систему изготовления полупроводниковых интегральных схем.

Однако переход к атомарно управляемым электронным функциям требует расширения критериев выбора материалов.

Недостаточно установить высокую подвижность носителей заряда.

Недостаточно получить чрезвычайно тонкий полупроводниковый слой.

Недостаточно обнаружить необычные квантовые свойства.

Материал должен рассматриваться как часть будущей функциональной и производственной системы.

Для PICO особенно существенны следующие характеристики: возможность контролировать атомарную структуру, устойчивость электронных состояний, чувствительность электронной функции к управляемому воздействию, совместимость с электрическими контактами, воспроизводимость изготовления и потенциальная стоимость технологического процесса.

Эти требования могут вступать в противоречие.

Материал с уникальными квантовыми свойствами может оказаться химически нестабильным.

Чрезвычайно высокая чувствительность электронного состояния к внешнему воздействию может сопровождаться чрезмерной восприимчивостью к шуму.

Атомарно-тонкий полупроводник может обеспечивать превосходный электростатический контроль, но создавать сложности при формировании затворного диэлектрика.

Следовательно, оптимальный материал определяется не одной рекордной характеристикой, а соответствием совокупности требований конкретного устройства.

4.1.2. Кремний как исходная платформа атомарно-точной электроники
Несмотря на развитие альтернативных материалов, кремний сохраняет исключительно важное значение для исследований PICO.

Причина заключается не только в существовании гигантской промышленной инфраструктуры.

Кремний обладает хорошо исследованной кристаллической структурой и развитой технологией получения высококачественных поверхностей.

На поверхности кремния возможно использование сканирующей туннельной микроскопии для локальной модификации атомарной структуры.

Особое значение имеет технология водородной пассивации поверхности с последующей локальной десорбцией водорода.

Она позволяет создавать атомарно определённые участки, на которых могут осуществляться контролируемые химические реакции.

Работа Schofield и соавторов 2003 года продемонстрировала возможность пространственно контролируемого введения отдельных донорных атомов фосфора в кремний [7].

В 2012 году Fuechsle и соавторы представили экспериментальный одноатомный транзистор, функциональный элемент которого был связан с детерминированно размещённым атомом фосфора [8].

Эти исследования имеют принципиальное значение.

Они показывают, что атомарная конфигурация может быть не просто особенностью структуры материала, а специально проектируемой частью электронного устройства.

Отдельное направление связано с изотопно очищенным кремнием.

Уменьшение содержания ядер со спином может снижать определённые механизмы декогеренции электронных спиновых состояний.

Благодаря этому кремний представляет интерес не только для классических электронных приборов, но и для атомарных квантовых регистров.

В 2025 году Edlbauer и соавторы продемонстрировали кремниевый атомный процессор с одиннадцатью кубитами [9].

Это важный результат для развития атомарно-точных квантовых архитектур.

Но необходимо разграничивать два обстоятельства.

Первое: возможность построения действующих квантовых устройств на основе отдельных атомных структур экспериментально подтверждена.

Второе: промышленная экономическая эффективность крупномасштабного производства подобных систем остаётся самостоятельной задачей.

Таким образом, кремний следует рассматривать как одну из приоритетных исходных платформ PICO, но не как единственно возможный материал.

4.1.3. Двумерные полупроводники
Второе крупное направление связано с двумерными материалами.

К ним относятся графен, дисульфид молибдена, диселенид вольфрама и ряд других соединений.

Особенность двумерных материалов заключается в возможности создания чрезвычайно тонких функциональных слоёв, иногда имеющих толщину порядка одного атомарного слоя.

Это позволяет исследовать электронные приборы с новым соотношением толщины канала и его электростатического управления.

Однако различные двумерные материалы обладают существенно различающимися электронными свойствами.

Например, идеальный графен не имеет обычной запрещённой зоны, необходимой для глубокого выключения традиционного цифрового транзистора.

Поэтому для комплементарной логики особый интерес представляют двумерные полупроводники с подходящей зонной структурой.

Одним из основополагающих экспериментальных результатов стало создание транзистора на основе однослойного дисульфида молибдена, опубликованное Radisavljevic и соавторами в 2011 году [1].

В последующие годы исследования значительно продвинулись.

В 2025 году Ghosh и соавторы представили экспериментальный компьютер с набором из одной инструкции на основе комплементарных транзисторов из двумерных материалов [3].

Данный результат подтверждает возможность создания не только отдельных приборов, но и законченных вычислительных схем.

Однако соответствующий экспериментальный компьютер работал на частотах, существенно уступающих современным коммерческим кремниевым процессорам.

Поэтому его значение заключается прежде всего в демонстрации интегрированной архитектуры, а не в достигнутом промышленном превосходстве.

Для PICO двумерные материалы представляют интерес по двум причинам.

Во-первых, они позволяют управлять электронной функцией посредством атомарно-тонких структур.

Во-вторых, их можно использовать в гетероструктурах, свойства которых определяются взаимодействием нескольких различных атомарных слоёв.

При этом само наличие атомарно-тонкого слоя ещё недостаточно для признания устройства полноценной PICO-технологией.

Необходимо дополнительно доказать воспроизводимую управляемость конкретной электронной функции и соответствующее преимущество.

4.1.4. Диэлектрики, интерфейсы и контактные материалы
Одна из принципиальных особенностей будущей электроники заключается в возрастающей роли границ раздела материалов.

По мере уменьшения функциональных структур поверхность и интерфейс перестают быть второстепенными элементами.

Они могут непосредственно определять транспорт заряда, энергетические барьеры, локальные поля и электронные состояния.

Для атомарно-тонкого полупроводникового канала особое значение имеет качество контакта с затворным диэлектриком.

Если формирование диэлектрика повреждает электронную структуру материала, преимущества тонкого канала могут оказаться утраченными.

Аналогичная проблема возникает при создании металлических контактов.

Сопротивление контакта, энергетическое согласование электронных состояний и локальная геометрия соединения способны ограничивать рабочие характеристики всего устройства.

Перспективным направлением являются гетероструктуры Ван-дер-Ваальса.

Их физическая идея заключается в объединении атомарно-тонких материалов посредством межслойного взаимодействия без обязательного формирования обычной трёхмерной ковалентной структуры.

Важнейшее обобщение возможностей подобных систем представлено Geim и Grigorieva [2].

Особого внимания заслуживают также гексагональный нитрид бора и другие материалы, способные выполнять функции изоляционных и защитных слоёв.

В 2026 году опубликованы исследования, демонстрирующие прогресс в формировании сверхтонких диэлектрических структур на двумерных полупроводниках [6].

Однако для практической технологии важна не только минимальная толщина.

Необходимо одновременно обеспечить низкие токи утечки, электрическую прочность, стабильность интерфейса и допустимые характеристики в значительном количестве изготовленных устройств.

Следовательно, контактная и интерфейсная инженерия должна стать самостоятельной частью проектирования PICO.

4.1.5. Молекулярные материалы
Третье фундаментальное направление предполагает использование отдельных молекул в качестве функциональных электронных элементов.

В отличие от традиционного полупроводникового канала, молекулярный прибор использует электронные свойства определённой химической структуры.

Его функционирование может определяться расположением молекулярных орбиталей, химическими связями, зарядовыми состояниями и взаимодействием с электродами.

Молекулярные системы потенциально позволяют создавать выпрямители, переключатели, элементы памяти и чувствительные устройства.

Особенно интересна возможность химического синтеза множества структур с одинаковым молекулярным составом.

Теоретически это открывает путь к массовому воспроизводству чрезвычайно малых функциональных объектов.

Однако здесь возникает фундаментальная инженерная проблема.

Идентичность молекул не означает идентичности электронных приборов.

Электрические характеристики могут зависеть от положения молекулы между электродами, природы химического контакта, ориентации и локального электрического поля.

Поэтому создание миллионов одинаковых молекул может оказаться значительно проще создания миллионов одинаково работающих молекулярных соединений.

Исследование Li и соавторов 2025 года посвящено атомарно-точному формированию однородных одномолекулярных контактов [11].

Это направление особенно важно для перехода от единичных лабораторных измерений к воспроизводимым электронным структурам.

Для программы PICO необходимо исследовать не только электрические свойства отдельных молекул, но и способы создания устойчивых, стандартизируемых и интегрируемых молекулярных элементов.

4.1.6. Материалы с управляемыми дефектами и спиновыми состояниями
Отдельную группу образуют материалы, в которых функциональные свойства определяются локализованными электронными состояниями.

Такие состояния могут возникать вследствие атомарных примесей, дефектов кристаллической решётки или специально сформированных локальных центров.

В определённых условиях они обладают свойствами, пригодными для хранения, считывания и обработки информации.

Особенно перспективно управление спиновыми состояниями.

Однако для их применения необходимо обеспечить достаточно длительное сохранение информации, возможность управляемых переходов и измерение состояния с приемлемой ошибкой.

Нужно также учитывать влияние окружающей среды.

Флуктуации электрических и магнитных полей, взаимодействие с колебаниями кристаллической решётки и другие механизмы способны нарушать когерентность.

Поэтому материалы с локализованными электронными состояниями требуют системного исследования физических механизмов шума.

Для PICO эта группа важна как возможная основа специальных вычислительных, квантовых и измерительных устройств.

Но не всякая квантовая система должна автоматически относиться к пикоэлектронике.

Необходима доказанная функциональная роль специально контролируемой атомарной конфигурации или пикометрового параметра.

4.1.7. Оксидные, сегнетоэлектрические и резистивно-переключаемые материалы
Ещё одно направление связано с материалами, способными изменять своё электрическое сопротивление или поляризационное состояние под воздействием управляющего сигнала.

В определённых структурах изменение проводимости связано с движением ионов, образованием проводящих каналов, перераспределением дефектов или изменением электронной структуры.

Физические основы резистивного переключения получили известное обобщение в работе Strukov и соавторов 2008 года [12].

Соответствующие устройства исследуются как элементы памяти и специализированных вычислительных систем.

Особый интерес вызывает возможность объединения хранения информации и определённых вычислительных операций в одном устройстве.

Это позволяет потенциально уменьшать необходимость многократного перемещения данных между процессором и памятью.

Однако резистивно-переключаемые структуры обладают собственными ограничениями.

Необходимо учитывать статистический разброс состояний, дрейф проводимости, деградацию при многократном переключении и сложность точного восстановления информации.

Кроме того, далеко не всякий мемристивный прибор непосредственно использует пикометровое управление.

Следовательно, подобные материалы могут быть частью гибридной системы PICO, но их принадлежность к собственно пикоэлектронной элементной базе должна определяться установленным физическим механизмом.

4.1.8. Принцип функционального отбора материалов
Главная задача состоит не в формировании максимально большого списка перспективных материалов.

Необходимо разработать процедуру их отбора.

Для каждого исследуемого материала должны быть установлены:

Предполагаемая электронная функция.
Основной физический механизм.
Управляемый атомарный или электронный параметр.
Возможный способ изготовления.
Необходимые контакты, изоляция и внешняя инфраструктура.
Основные физические и технологические риски.
Эксперимент, способный подтвердить или опровергнуть преимущество.
Таким образом, исходной единицей проектирования становится не материал сам по себе, а сочетание «материал — управляемое состояние — функция — способ производства».

Именно это сочетание должно определять перспективность соответствующего направления PICO.

4.2. Формирование функциональных структур
4.2.1. От материала к электронной конструкции
Наличие подходящего материала ещё не означает возможности создания действующего прибора.

Необходимо организовать соответствующее вещество в структуру, способную выполнять определённую функцию.

Для традиционной микроэлектроники исторически сложились методы литографии, осаждения, травления, легирования и формирования электрических контактов.

Пикоэлектроника потребует развития этих методов и исследования новых способов атомарного конструирования.

При этом не следует противопоставлять все существующие методы производства перспективным технологиям.

Напротив, наиболее эффективный путь может заключаться в сочетании массовых полупроводниковых процессов с локальными атомарно-точными операциями.

Такой подход позволяет использовать преимущества уже существующей промышленной инфраструктуры.

Однако необходимо учитывать, что атомарно-точный участок структуры может оказаться чрезвычайно чувствительным к последующим технологическим операциям.

Следовательно, проектирование должно охватывать весь производственный маршрут.

4.2.2. Атомарно-точное позиционирование
Одним из наиболее фундаментальных способов создания заданных атомарных структур является использование сканирующей туннельной микроскопии.

В 1990 году Eigler и Schweizer продемонстрировали управляемое позиционирование отдельных атомов ксенона на поверхности никеля [16].

Этот результат стал историческим доказательством возможности целенаправленно создавать искусственные атомарные конфигурации.

В дальнейшем соответствующие методы получили развитие в исследованиях кремниевых поверхностей.

Особенно важна комбинация локальной десорбции водорода и последующего контролируемого введения донорных атомов.

Она позволяет формировать электронные структуры, в которых расположение определённых атомов задаётся технологически.

Однако существуют серьёзные ограничения.

Сканирующий зонд осуществляет локальные операции.

Последовательное выполнение большого количества операций может требовать значительного времени.

Кроме того, результат зависит от состояния наконечника, качества поверхности и условий эксперимента.

Поэтому атомарная точность сама по себе ещё не означает промышленной производительности.

Перспективы масштабирования связаны с автоматизацией, параллельными системами и сокращением числа необходимых локальных операций.

4.2.3. Атомно-слоевое осаждение и травление
Важную роль в современной электронике играют атомно-слоевые технологические процессы.

Атомно-слоевое осаждение, или ALD, использует последовательность поверхностных химических реакций, позволяющих контролируемо формировать тонкие плёнки.

Фундаментальный обзор данной технологии представлен George [14].

Второй класс процессов — атомно-слоевое травление, или ALE.

Он основан на последовательном изменении поверхностного слоя и его контролируемом удалении.

Подробные физические и технологические основания ALE рассмотрены Kanarik и соавторами [15].

Для PICO подобные методы имеют большое значение.

Они позволяют управлять толщиной, составом и качеством критически важных функциональных слоёв.

Однако необходимо избежать методологической ошибки.

Атомно-слоевое управление толщиной плёнки не тождественно детерминированному размещению каждого отдельного атома в произвольной позиции.

ALD и ALE обладают высокой технологической ценностью, но конкретная атомарная конфигурация результата зависит от материала, поверхности и механизма соответствующих реакций.

Следовательно, эти процессы следует рассматривать как важные средства высокоточного производства, а не как универсальные методы произвольного атомного конструирования.

4.2.4. Химическое самоформирование и молекулярная сборка
Альтернативой последовательному размещению атомов является использование процессов самосборки.

В подобных процессах конечная структура формируется благодаря специально подобранным химическим и физическим взаимодействиям.

Важный пример — ДНК-оригами, исследованное Rothemund в 2006 году [17].

Соответствующая работа продемонстрировала возможность программируемого образования сложных наноструктур посредством молекулярной самосборки.

Однако такие структуры не являются автоматически электронными вычислительными устройствами.

Для PICO принцип самосборки важен как возможный способ массового формирования заранее определённых конфигураций вещества.

Главная проблема заключается в обеспечении функционального качества.

Необходимо не только получить заданную форму, но и гарантировать необходимые электронные свойства.

Особенно важно обеспечить электрические соединения и интеграцию с внешними схемами.

Поэтому самосборка должна исследоваться совместно с технологиями функционализации, контактов и метрологической проверки.

4.2.5. Формирование электрических контактов
Электрический контакт является одной из наиболее сложных частей атомарного устройства.

В обычных электронных схемах контакт часто рассматривается как относительно небольшой элемент по сравнению с функциональным транзистором.

В молекулярных и атомарных системах это соотношение может изменяться.

Контакт способен существенно влиять на электронную структуру самого функционального элемента.

Например, соединение молекулы с металлическим электродом изменяет условия переноса заряда.

Небольшие изменения атомарной геометрии контакта могут приводить к заметным изменениям проводимости.

Поэтому для PICO необходимо проектировать не только функциональный центр, но и всю область его сопряжения с внешними проводниками.

Следует определять контактное сопротивление, энергетические барьеры, устойчивость химических связей и допустимые механические воздействия.

Особого внимания требует сохранение характеристик после нанесения защитных и изоляционных слоёв.

Устройство, работающее в экспериментальной вакуумной системе, может изменить свойства после обычного корпусирования.

Следовательно, контактная инженерия должна включаться в проектирование с самого начала.

4.2.6. Гибридный технологический маршрут
Одним из наиболее реалистичных направлений первоначального развития PICO представляется гибридное производство.

Его идея заключается в сочетании нескольких технологических уровней.

Обычные полупроводниковые методы используются для формирования крупномасштабной структуры, электрических проводников, управляющих схем и контактных площадок.

Атомарно-точные методы применяются только в тех областях, где они обеспечивают специальную электронную функцию.

Подобная организация потенциально позволяет избежать необходимости конструировать всю вычислительную систему атом за атомом.

Однако необходима количественная проверка.

Например, следует установить, какая доля производственного времени приходится на создание атомарных структур.

Какова стоимость подготовки поверхности.

Насколько сложны последующие операции защиты и формирования контактов.

Как изменяется выход годных устройств при объединении технологических процессов.

Таким образом, гибридный подход должен оцениваться не по удобству его концептуального описания, а по экспериментальной эффективности полного маршрута.

4.2.7. Замкнутый цикл проектирования, изготовления и измерения
Для перспективной PICO особенно важен переход от разрозненных экспериментов к замкнутому исследовательскому циклу.

Первоначально создаётся физическая модель предполагаемого устройства.

Затем рассчитываются возможные энергетические и электронные состояния.

На основании расчётов формируется атомарная или молекулярная структура.

После изготовления выполняются измерения.

Полученные характеристики сопоставляются с прогнозом.

Если обнаруживаются расхождения, уточняются модель, параметры производства или способ измерения.

Затем эксперимент повторяется.

Особое значение здесь могут приобрести интеллектуальные методы поиска.

Алгоритмы машинного обучения способны помогать исследователям выбирать перспективные материалы, параметры процесса и наиболее информативные эксперименты.

Однако такие методы не заменяют физическую проверку.

Компьютерная модель может предсказать благоприятную электронную функцию, которая не реализуется вследствие неучтённых дефектов или особенностей контактов.

Поэтому каждый успешный результат должен подтверждаться реальным экспериментом.

В генеральной программе Метаразвития именно эта исследовательская схема создаёт одну из непосредственных областей взаимодействия PICO и NOO.

4.3. Архитектуры вычислительных элементов
4.3.1. Почему новый физический элемент требует новой архитектуры
Одним из основных достижений традиционной микроэлектроники стало создание универсального электронного переключателя, пригодного для формирования логических схем.

CMOS-технология позволила объединить большое количество таких переключателей в надёжные вычислительные системы.

Однако перспективные атомарные и молекулярные элементы не обязательно должны повторять традиционную архитектуру полевого транзистора.

Новая электронная функция может использовать другие физические механизмы.

Например, изменение зарядового состояния.

Резонансное туннелирование.

Переключение молекулярной конфигурации.

Управление спиновыми состояниями.

Перестройку проводящего канала.

Изменение энергетических уровней локализованного электронного состояния.

Следовательно, проектирование PICO должно включать поиск новых архитектур вычислительных элементов.

Однако универсальное требование сохраняется.

Необходимо обеспечить надёжное представление, изменение, передачу и считывание информации.

Без решения этих задач физический эффект не становится полноценной вычислительной технологией.

4.3.2. Атомарные и одноэлектронные логические элементы
Одноэлектронные приборы используют физические эффекты, связанные с дискретностью электрического заряда.

Одним из важнейших механизмов является кулоновская блокада.

При определённых условиях энергия добавления отдельного электрона к малой проводящей структуре становится существенной для её электрического поведения.

Это позволяет создавать устройства, чувствительные к единичным электронным событиям.

Подобные свойства могут использоваться в измерениях и специальных электронных схемах.

Однако переход к массовой логике требует решения дополнительных проблем.

Необходимо обеспечить достаточную устойчивость рабочих состояний.

Учитывать тепловые флуктуации.

Ограничивать влияние паразитных ёмкостей.

Формировать выходные сигналы, пригодные для управления последующими элементами.

Особенно важно обеспечить каскадирование.

Логическая схема должна состоять не просто из нескольких элементов, соединённых проводниками.

Каждый следующий элемент должен правильно воспринимать выход предыдущего.

Если сигнал становится слишком малым или чувствительным к шуму, требуется дополнительное усиление или восстановление.

Следовательно, исследование атомарной логики должно включать её системную электрическую устойчивость.

4.3.3. Молекулярные логические структуры
Молекулярные электронные элементы потенциально позволяют использовать химически определённые электронные функции.

Это открывает возможность создавать структуры с чрезвычайно высокой функциональной плотностью.

Однако существуют принципиальные трудности.

Необходимо обеспечить устойчивое различие логических состояний.

Определить скорость переключения.

Исследовать деградацию молекулы при многократных электрических воздействиях.

Исключить нежелательные химические реакции.

Обеспечить надёжное соединение с другими элементами.

Особенно важно установить возможность массового формирования контактов.

Если каждая молекула требует индивидуальной сложной процедуры подключения, высокая функциональная плотность не гарантирует низкой стоимости.

Поэтому молекулярная логика должна исследоваться не только на уровне отдельного переключателя, но и на уровне функциональных блоков.

Перспективным промежуточным результатом может стать небольшой специализированный модуль с измеренной надёжностью.

4.3.4. Атомарные квантовые вычислительные элементы
Отдельное направление составляют квантовые вычислительные системы.

Их физическая архитектура принципиально отличается от традиционной двоичной логики.

Информация представляется квантовыми состояниями, а вычислительные операции реализуются посредством управляемого изменения этих состояний.

Для атомарной квантовой электроники особенно интересны донорные атомы в кремнии и связанные с ними электронные и ядерные спины.

Концептуальные основания кремниевых донорных квантовых вычислителей были предложены Kane в 1998 году [31].

В дальнейшем соответствующее направление получило значительное экспериментальное развитие.

Важнейшие достижения включают управление отдельными атомарными спинами, создание связанных регистров и выполнение квантовых операций [9, 10, 22].

Однако необходимо учитывать специфику квантовой вычислительной архитектуры.

Количество физических кубитов само по себе не определяет полезную вычислительную мощность.

Необходимо оценивать качество квантовых операций, связность системы, длительность когерентного состояния, частоту ошибок и возможность их коррекции.

Кроме того, квантовый компьютер не представляет собой универсально более быстрый вариант классического процессора.

Преимущества могут возникать для определённых классов вычислительных задач.

Поэтому сравнение квантовых и классических систем должно проводиться на уровне конкретных алгоритмов и получаемых результатов.

4.3.5. Резистивные и вычисляющие запоминающие элементы
В классической компьютерной архитектуре значительная часть энергии и времени расходуется на перемещение данных между вычислительными блоками и памятью.

Поэтому одним из перспективных направлений является выполнение части вычислений непосредственно в запоминающих структурах.

Особое внимание привлекают резистивно-переключаемые устройства.

Их физические свойства позволяют исследовать совмещение хранения и обработки информации.

Фундаментальные принципы соответствующих архитектур подробно рассмотрены Ielmini и Wong [13].

Однако практическая результативность зависит от характера вычислительной задачи.

Аналоговые вычисления в массивах памяти могут страдать от ограниченной точности.

Разброс характеристик элементов способен приводить к ошибкам.

Необходимо учитывать затраты на аналого-цифровые преобразователи, калибровку и коррекцию результатов.

Следовательно, малые размеры отдельных элементов памяти не гарантируют высокой эффективности законченного вычислительного устройства.

Для PICO данное направление представляет интерес в тех случаях, когда специально управляемые атомарные или электронные состояния действительно определяют полезную функцию.

4.3.6. Гибридная архитектура PICO–CMOS
Особое значение для раннего промышленного развития может иметь сочетание атомарно-точных элементов с традиционной CMOS-электроникой.

В такой архитектуре обычные полупроводниковые схемы выполняют функции питания, управления, синхронизации и считывания.

Пикоэлектронный элемент используется только для операции, в которой он обладает экспериментально подтверждённым преимуществом.

Например, это может быть особо чувствительное измерение заряда.

Другой вариант — использование локализованного квантового состояния.

Третий — создание специального элемента памяти.

Четвёртый — выполнение определённой электронной операции с меньшими энергетическими затратами.

Главная идея заключается в том, что новая элементная база не обязательно должна немедленно заменять всю существующую вычислительную архитектуру.

Гибридные системы позволяют осуществлять постепенное внедрение и проверять реальные функциональные преимущества.

Но необходим учёт дополнительных затрат.

Управляющая CMOS-система может оказаться значительно сложнее самого атомарного элемента.

Прибор может требовать охлаждения.

Могут возникать ограничения по скорости обмена информацией.

Следовательно, проектирование должно оценивать полные характеристики гибридного устройства.

4.3.7. Архитектурное проектирование с учётом физических ошибок
В традиционной цифровой электронике значительную роль играет разделение физических сигналов на устойчивые логические состояния.

Это позволяет строить большие вычислительные системы из отдельных элементов.

Для атомарных и молекулярных приборов соответствующая задача может оказаться значительно сложнее.

Например, небольшое изменение положения атома способно изменить энергетический барьер.

Тепловые флуктуации могут вызывать нежелательные переходы.

Локальные заряды способны влиять на соседние элементы.

Поэтому архитектура PICO должна разрабатываться с учётом вероятности ошибки.

Необходимо установить допустимые уровни шума и неопределённости.

Определить механизмы восстановления информации.

Разработать способы контроля неисправностей.

Особенно важно разграничивать классическую и квантовую коррекцию ошибок.

Они имеют различные физические и архитектурные основания.

Следовательно, создание вычислительной системы из атомарных элементов требует не просто миниатюризации схемы, а самостоятельного проектирования её информационной устойчивости.

4.3.8. Функциональная эффективность как критерий архитектуры
Главным критерием перспективности новой архитектуры должна стать её результативность при выполнении определённой задачи.

Нельзя ограничиваться числом элементов на единице площади.

Необходимо учитывать скорость выполнения вычислений, энергетические затраты, точность, устойчивость, стоимость производства и эксплуатационные ограничения.

При этом отдельные направления могут обладать разными целями.

Одноэлектронное устройство может оказаться особенно эффективным измерителем.

Атомарный спиновый регистр — элементом квантового процессора.

Молекулярная структура — специализированным электронным переключателем.

Резистивный массив — средством ускорения определённых операций обработки информации.

Следовательно, перспективная PICO, вероятнее всего, первоначально будет развиваться как совокупность специализированных архитектур, а не как единая универсальная замена существующей электроники.

4.4. Методы интеграции и соединения устройств
4.4.1. Почему межсоединения становятся стратегической проблемой
История микроэлектроники показывает, что создание более совершенного транзистора не гарантирует аналогичного улучшения интегральной схемы.

По мере роста количества элементов увеличивается значение соединений между ними.

Электрические проводники обладают сопротивлением, ёмкостью и собственной задержкой передачи сигнала.

Необходимо также учитывать электрические контакты, систему питания и распределение тепла.

Для атомарных устройств подобные ограничения могут оказаться особенно существенными.

Функциональный элемент может иметь размеры, значительно меньшие его электрических соединений.

Это означает, что увеличение плотности размещения отдельных элементов не обязательно приводит к пропорциональному увеличению плотности полезных вычислительных функций.

Следовательно, проектирование PICO должно начинаться с совместного исследования элементов и способов их соединения.

4.4.2. Соединение атомарных структур с обычными проводниками
Одной из первых инженерных задач становится формирование надёжного электрического интерфейса между атомарным устройством и внешней электронной схемой.

Проблема состоит в различии пространственных масштабов.

Функциональная область может определяться несколькими атомами.

Но система управления и считывания использует более крупные проводящие структуры.

Для их соединения необходима многоуровневая архитектура контактов.

Возможными направлениями являются локально сформированные проводящие области, высокоточные металлические соединения и специально спроектированные переходные структуры.

Однако каждый дополнительный контакт создаёт потенциальный источник сопротивления, шума и технологической вариабельности.

Поэтому при разработке PICO необходимо количественно определять вклад соединений в характеристики устройства.

4.4.3. Вертикальная и монолитная трёхмерная интеграция
Одним из перспективных способов повышения функциональной плотности является вертикальное размещение электронных элементов.

При этом несколько функциональных слоёв формируются в общей структуре.

Подобный подход позволяет уменьшать некоторые расстояния передачи информации и рациональнее использовать площадь полупроводниковой пластины.

Однако возникают новые проблемы.

Необходимо обеспечивать точное взаимное совмещение слоёв.

Контролировать температурные воздействия при изготовлении.

Предотвращать повреждение ранее созданных приборов.

Обеспечивать электрическую изоляцию и тепловую устойчивость.

В 2026 году Lam и соавторы продемонстрировали монолитную трёхмерную интеграцию кремниевых транзисторов на основе тонких монокристаллических мембран [19].

В том же году Niu и соавторы представили многослойную интеграцию оксидных полупроводниковых устройств на кремниевых пластинах [18].

Эти результаты свидетельствуют о прогрессе в области трёхмерных электронных архитектур.

Однако монолитная трёхмерная интеграция сама по себе не является пикоэлектроникой.

Для PICO она представляет потенциальную инфраструктуру размещения, соединения и управления атомарно-точными функциональными устройствами.

4.4.4. Чиплеты и гетерогенная интеграция
Другой путь заключается в объединении нескольких изготовленных кристаллов в единую систему.

Подобный подход получил развитие в технологиях чиплетной интеграции.

Его преимущество связано с возможностью использовать разные производственные процессы для различных функциональных блоков.

Например, высокопроизводительная логика может изготавливаться по одному технологическому процессу.

Память — по другому.

Специализированные измерительные или квантовые устройства — по третьему.

Впоследствии соответствующие блоки могут объединяться на уровне корпуса или более сложной интеграционной платформы.

Важную роль играет развитие стандартизированных межкристальных интерфейсов.

Примером является семейство спецификаций Universal Chiplet Interconnect Express, включая UCIe 3.0, опубликованную в 2025 году [23].

Однако стандартный интерфейс чиплетов не решает непосредственно задачу подключения отдельных атомарных элементов.

Его значение заключается в создании возможной внешней инфраструктуры для модульной PICO.

Таким образом, перспективная гибридная система может иметь несколько уровней интеграции.

Атомарный функциональный центр.

Локальный полупроводниковый управляющий модуль.

Интегрированный специализированный кристалл.

И, наконец, вычислительную систему, объединяющую несколько подобных блоков.

4.4.5. Оптические соединения
По мере увеличения вычислительной мощности особое значение приобретает передача больших объёмов информации.

Электрические межсоединения сталкиваются с ограничениями сопротивления, ёмкости, потерь и частотных характеристик.

Одним из направлений решения этих проблем является использование оптической передачи данных.

В современных исследованиях развивается интеграция фотонных каналов с электронными вычислительными системами.

Обзор соответствующих технологий опубликован Kim и соавторами в 2026 году [24].

Однако необходимо разграничивать две задачи.

Первая — создание атомарно управляемого электронного функционального элемента.

Вторая — эффективная передача данных между крупными вычислительными блоками.

Оптические соединения могут помогать решению второй задачи, но не означают автоматического возникновения PICO.

Кроме того, оптические интерфейсы требуют источников света, фотоприёмников и преобразования электрических сигналов.

Все эти компоненты обладают собственной стоимостью и энергопотреблением.

Поэтому эффективность оптической интеграции должна определяться на уровне законченной системы.

4.4.6. Интеграция квантовых элементов и криогенного управления
Особый класс проблем возникает при объединении атомарных квантовых устройств.

Для многих экспериментальных структур необходимо использование низких температур.

При этом система управления может включать сложные генераторы сигналов, измерительную электронику и многочисленные электрические соединения.

По мере увеличения количества кубитов соответствующая инфраструктура становится одним из главных ограничений масштабирования.

Поэтому перспективным направлением является развитие криогенной управляющей электроники.

В 2026 году опубликована работа о кремниевом квантовом процессорном блоке с цифровым управлением, объединяющем квантовое устройство и специализированную криогенную CMOS-электронику [21].

Подобные результаты показывают важность совместного проектирования квантового регистра, управляющих схем и физических соединений.

Однако для реальной оценки необходим учёт всей охлаждающей и измерительной инфраструктуры.

Малая энергия отдельной квантовой операции не означает малое энергопотребление законченного квантового компьютера.

4.4.7. Интегрируемость как самостоятельный научный критерий
Для развития PICO следует различать несколько стадий.

Первая — существование отдельной функциональной структуры.

Вторая — её соединение с внешней системой управления.

Третья — взаимодействие нескольких функциональных структур.

Четвёртая — создание интегрированного модуля с заданными электрическими характеристиками.

Пятая — воспроизводимое изготовление и эксплуатация нескольких таких модулей.

Таким образом, интегрируемость не может рассматриваться как простое механическое соединение готовых элементов.

Она должна стать самостоятельным предметом физических и инженерных исследований.

4.5. Воспроизводимость, надёжность и производственная масштабируемость
4.5.1. От единичного эксперимента к технологии
Одно из принципиальных различий между научной демонстрацией и промышленной технологией заключается в воспроизводимости результата.

Эксперимент может успешно подтвердить существование определённого физического эффекта.

Но этого недостаточно для массового применения.

Необходимо установить, можно ли многократно получать устройства с требуемыми характеристиками.

Следует различать повторяемость в одинаковых условиях, воспроизводимость при изменении лаборатории или оборудования, выход годных устройств и эксплуатационную надёжность.

Эти показатели связаны между собой, но не тождественны.

Например, устройство может демонстрировать устойчивую работу после изготовления, но производиться с чрезвычайно низким выходом годных.

Другой прибор может изготавливаться с высоким выходом, но быстро деградировать при эксплуатации.

Поэтому оценка PICO должна включать несколько самостоятельных измерений.

4.5.2. Атомарная метрология и неопределённость измерений
Для атомарно-точных устройств особое значение приобретает метрология.

Необходимо количественно устанавливать параметры физических структур.

Например, положение атомов, состав локальной области, состояние интерфейса, электронную проводимость или характеристики квантовых переходов.

Однако высокая разрешающая способность измерительного прибора не гарантирует точности каждого полученного результата.

Необходимо учитывать инструментальные погрешности, изменение состояния образца, дрейф, шум и особенности выбранной модели измерения.

Международное руководство JCGM 100:2008 устанавливает общие принципы оценивания неопределённости измерений [26].

Для PICO соответствующая методология имеет особое значение.

Если исследователь утверждает, что электронная функция управляется изменением определённого расстояния на несколько пикометров, необходимо доказать, что измерение действительно позволяет достоверно различать соответствующие состояния.

В противном случае физический результат остаётся неопределённым.

4.5.3. Статистическое исследование производственного выхода
Одним из основных показателей технологической зрелости является выход годных устройств.

Для атомарного производства этот показатель особенно важен вследствие возможного накопления ошибок.

Каждая операция позиционирования атома, формирования контакта или нанесения защитного слоя может иметь определённую вероятность отклонения от заданного результата.

При увеличении количества элементов эти отклонения начинают влиять на итоговый выход годных структур.

Однако необходимо учитывать, что ошибки не всегда независимы.

Возможны систематические дефекты, связанные с состоянием оборудования, поверхности или параметрами технологического процесса.

Поэтому для оценки выхода годных используются различные статистические модели.

Фундаментальный обзор соответствующих подходов представлен Raghavachari, Srinivasan и Sullo [27].

Для PICO необходимо разрабатывать модели, учитывающие не только случайные дефекты, но и функциональную чувствительность отдельных атомарных структур.

Особенно важно определять, какие отклонения делают устройство полностью непригодным, а какие лишь изменяют его параметры.

4.5.4. Надёжность при многократных операциях
Следующая проблема связана с долговременной эксплуатацией.

Электронное устройство должно сохранять характеристики при многократном выполнении предусмотренных функций.

Для молекулярных элементов могут возникать химические изменения.

Для атомарных структур — нежелательные перестройки локальной конфигурации.

Для резистивных устройств — деградация механизмов переключения.

Для квантовых систем — изменение характеристик шума и управления.

Поэтому необходимо исследовать устойчивость функциональных состояний.

В современной полупроводниковой промышленности используются специальные процедуры квалификационных испытаний, включая стандарты JEDEC [25].

Однако соответствующие процедуры не могут автоматически охватывать все новые физические механизмы PICO.

Возможно, потребуется разработка дополнительных методов испытаний.

При этом необходимо учитывать реальные условия эксплуатации.

Устройство, предназначенное для комнатной температуры, должно проверяться в соответствующем температурном диапазоне.

Криогенный квантовый элемент требует другой процедуры оценки.

Таким образом, надёжность должна определяться применительно к конкретной физической архитектуре.

4.5.5. Масштабируемость не равна миниатюрности
Одно из наиболее распространённых заблуждений заключается в представлении, что чрезвычайно малые устройства автоматически обеспечивают чрезвычайно высокую плотность промышленной интеграции.

Но масштабируемость определяется не только размером функционального элемента.

Необходимо учитывать размеры контактов.

Расстояния между управляющими структурами.

Сложность изоляции.

Паразитные взаимодействия.

Технологическое время изготовления.

Возможность параллельного производства.

Доступность измерительного оборудования.

Стоимость испытаний.

Поэтому даже атомарно-малое устройство может оказаться экономически невыгодным для массовых вычислений.

Особое значение имеет скорость технологических операций.

Если создание каждого элемента требует длительного последовательного воздействия сканирующим зондом, производство большого количества элементов может оказаться чрезвычайно дорогим.

Следовательно, необходимо искать способы параллельного формирования функциональных структур.

Однако параллельность не должна достигаться ценой потери необходимой точности.

4.5.6. Переход к технологическим библиотекам и промышленному проектированию
В традиционной микроэлектронике огромную роль играют библиотеки электронных элементов и комплекты проектной документации технологического процесса — PDK.

Они позволяют разработчику создавать интегральные схемы на основе известных правил и моделей.

Для будущей PICO потребуется сформировать аналогичные средства.

Необходимо стандартизировать описание функциональных элементов.

Определить допустимые диапазоны параметров.

Создать модели электронного поведения.

Установить правила соединения.

Разработать процедуры проверки.

Особенно важно обеспечить связь между физическими измерениями и компьютерным моделированием.

Модель должна учитывать статистический разброс характеристик.

Если экспериментально получены лишь показатели одного лучшего устройства, этого недостаточно для достоверного проектирования большой электронной системы.

В 2026 году Guo и соавторы представили исследование двумерного микропроцессора, основанное на последовательной оптимизации материалов, изготовления, схем и процедур проверки [20].

Показательно, что высокие показатели отдельных транзисторов не устраняли проблем выхода годных более сложных функциональных блоков.

Подобные результаты подтверждают необходимость совместного проектирования материалов, устройств и архитектуры.

4.5.7. Применение авторской шкалы зрелости PICO
Для оценки перспективных направлений предлагается использовать шкалу P0–P5, введённую в предыдущей главе.

На уровне P0 существует физически обоснованная гипотеза.

На уровне P1 экспериментально подтверждён предполагаемый физический эффект.

На уровне P2 создан управляемый экспериментальный элемент.

На уровне P3 доказана воспроизводимость функционального устройства.

На уровне P4 получена интегрируемая технологическая платформа.

На уровне P5 подтверждена практическая пригодность технологии для определённой области применения, включая необходимые производственные, эксплуатационные и экономические показатели.

Данная шкала представляет авторскую исследовательскую классификацию книги, а не действующий международный стандарт.

Её использование позволяет избежать преждевременных заключений.

Например, создание работающего одноатомного транзистора ещё не означает достижения P5.

Экспериментальное управление несколькими квантовыми регистрами также не гарантирует создания экономически конкурентоспособной вычислительной системы.

Следовательно, переход между уровнями зрелости должен основываться на заранее определённых критериях и подтверждённых результатах.

4.5.8. Масштабирование как экспериментальная программа
Для каждого технологического направления следует разработать последовательность экспериментальных этапов.

Первоначально исследуется отдельное устройство.

Затем небольшая группа элементов.

После этого создаётся функциональный модуль.

Далее исследуется возможность объединения нескольких модулей.

И только после этого рассматривается масштабирование производства.

На каждом этапе необходимо фиксировать изменения характеристик, стоимости и выхода годных.

Если масштабирование приводит к существенному ухудшению результата, необходимо установить причину.

Она может быть связана с физикой устройства, ошибками производства, интеграцией или архитектурой управления.

Таким образом, производственная масштабируемость должна стать самостоятельным объектом научного исследования, а не предположением о будущем успехе.

4.6. Поиск радикального снижения стоимости вычислений
4.6.1. Экономическая цель как исходный критерий технологического проектирования
Одной из центральных стратегических целей книги является радикальное снижение стоимости вычислительной мощности.

Исторически развитие микроэлектроники сделало возможным массовое распространение персональных компьютеров и интеллектуальных устройств.

Однако последующее развитие вычислительных систем сопровождается увеличением сложности производства, проектирования и эксплуатации.

Особенно значительными становятся затраты на передовые полупроводниковые фабрики, вычислительную память, высокоскоростные соединения и энергоснабжение.

В этой ситуации перспективная PICO представляет интерес не только как средство достижения новых физических возможностей.

Она рассматривается как потенциальный инструмент качественного изменения экономики вычислений.

Однако соответствующая цель требует строгого определения.

Необходимо различать стоимость электронного элемента, стоимость интегральной схемы, стоимость вычислительного устройства и стоимость выполнения конкретной полезной задачи.

Эти показатели могут изменяться независимо.

Например, чрезвычайно дешёвый функциональный элемент может требовать дорогостоящей системы управления.

Высокопроизводительный процессор может иметь значительную стоимость изготовления, но обеспечивать более низкие затраты на выполнение определённого вычисления.

Следовательно, экономическая эффективность должна оцениваться на уровне законченной системы.

4.6.2. Полная стоимость полезного вычисления
Для корректного сравнения необходимо выбрать определённую вычислительную задачу.

Затем установить требования к результату.

Например, скорость выполнения, точность, допустимую задержку, надёжность и объём обрабатываемой информации.

После этого определяется полная стоимость выполнения задачи.

Она должна включать необходимые капитальные и эксплуатационные затраты.

Сюда относятся стоимость изготовления вычислительной системы, программного обеспечения, электроэнергии, охлаждения, обслуживания и необходимой инфраструктуры.

Особое значение имеет загрузка вычислительного оборудования.

Устройство, обладающее высоким потенциальным быстродействием, может использоваться неэффективно.

В этом случае его реальная экономическая результативность будет ниже ожидаемой.

Следовательно, для программы PICO необходимо использовать сравнительные показатели стоимости полезного вычисления при одинаковых требованиях к результату.

Нельзя объявлять новую технологию более экономичной только на основании меньших размеров её элементной базы.

4.6.3. Первый путь: снижение энергии электронной функции
Одно из наиболее очевидных направлений связано со снижением энергозатрат отдельных электронных операций.

Для традиционной электроники существенная часть энергии расходуется при переключении состояний, зарядке электрических ёмкостей и протекании токов.

Атомарные структуры потенциально позволяют исследовать другие физические механизмы управления.

Однако существуют фундаментальные ограничения.

Термодинамическая связь логической необратимости и выделения тепла была исследована Landauer в 1961 году [28].

Важно правильно понимать значение соответствующего принципа.

Он не устанавливает одинаковую минимальную стоимость любой электронной операции.

Речь идёт о фундаментальных термодинамических ограничениях определённых информационных преобразований, прежде всего логически необратимых операций.

Практическое энергопотребление современных вычислительных устройств зависит от гораздо более широкого набора факторов.

Поэтому PICO должна исследовать не только физическую энергию переключения состояния, но и энергетические затраты управления, считывания и восстановления информации.

4.6.4. Второй путь: уменьшение стоимости передачи данных
Для современных вычислительных систем значительная часть энергозатрат связана с перемещением информации.

Особенно важны обращения к памяти и передача данных между вычислительными блоками.

В фундаментальном анализе Horowitz 2014 года подчёркивалось значение энергетических ограничений и необходимость совместного совершенствования вычислительной архитектуры [29].

Из этого следует важный вывод для PICO.

Даже если новая элементная база обеспечивает очень малую энергию отдельного переключения, итоговое преимущество может оказаться ограниченным затратами на передачу данных.

Поэтому радикальное снижение стоимости вычислений может потребовать изменения взаимного расположения вычислительных элементов и памяти.

Особый интерес представляют вычисления рядом с памятью, вычисления внутри памяти и специализированные архитектуры обработки данных.

Однако их преимущества должны подтверждаться на уровне конкретных задач.

4.6.5. Третий путь: снижение производственных затрат
Следующее направление связано с изменением стоимости изготовления электронных устройств.

Традиционная модель развития передовых полупроводниковых технологий требует чрезвычайно сложного оборудования.

Каждое последующее технологическое поколение связано с необходимостью совершенствования литографии, материалов, измерений и технологического контроля.

Пикоэлектроника потенциально может предложить альтернативные способы создания функциональных структур.

Например, химическую самосборку.

Параллельное формирование молекулярных элементов.

Использование специально подготовленных атомарных интерфейсов.

Гибридную интеграцию с менее дорогими технологическими процессами.

Однако нельзя заранее считать эти методы экономичнее существующих.

Самосборка может создавать большое количество дефектных структур.

Атомарная литография может требовать длительного времени.

Молекулярные приборы могут нуждаться в сложной системе контактов.

Следовательно, технологическое преимущество должно подтверждаться полной стоимостью изготовления заданного количества годных функциональных устройств.

4.6.6. Четвёртый путь: архитектурная специализация
Одним из перспективных способов повышения экономической эффективности является специализация вычислительных систем.

Универсальный компьютер должен обеспечивать выполнение широкого круга операций.

Однако для определённых задач специализированная архитектура может использовать меньше аппаратных ресурсов.

Например, при выполнении конкретных матричных операций.

При обработке сигналов.

При решении отдельных задач моделирования.

При работе с определёнными структурами памяти.

Поэтому перспективная PICO может создавать ценность посредством специализированных электронных функций, не заменяя традиционные универсальные процессоры.

Однако необходимо учитывать издержки разработки.

Создание специализированного устройства имеет смысл только в том случае, если ожидаемый объём применения позволяет компенсировать соответствующие затраты.

Следовательно, архитектурная специализация должна исследоваться совместно с экономикой предполагаемого рынка и жизненным циклом продукта.

4.6.7. Пятый путь: сокращение стоимости разработки новых технологий
В рамках концепции Метаразвития возникает ещё одно направление.

Оно связано не только с производством электронных устройств, но и с совершенствованием самого процесса их создания.

Традиционная разработка нового технологического поколения требует большого количества исследований, экспериментов и инженерных итераций.

Значительные ресурсы расходуются на проверку неудачных решений.

Поэтому сокращение времени разработки может иметь крупное экономическое значение.

В генеральной программе META данная задача решается посредством взаимодействия двух базовых субтехнологий.

PICO занимается исследованием и созданием новой физической элементной базы.

NOO разрабатывает интеллектуально-креативные инструменты научного поиска и технологического проектирования.

Обе программы должны инициироваться одновременно.

При этом PICO не обязана ожидать создания совершенной ноомашины.

А NOO может начинать исследования с использованием существующей вычислительной инфраструктуры.

Перспективный механизм взаимодействия заключается в том, что интеллектуальные системы помогают сокращать количество малоинформативных экспериментов, анализировать сложные данные и искать более эффективные технологические процессы.

Однако соответствующие преимущества должны подтверждаться количественно.

Например, уменьшением времени достижения проверенного результата.

Сокращением исследовательских затрат.

Увеличением вероятности получения воспроизводимой технологии.

Таким образом, NOO может потенциально снижать не только стоимость эксплуатации будущих вычислительных систем, но и стоимость их разработки.

4.6.8. Проблема экономического технологического скачка
Главная стратегическая задача заключается в поиске механизмов не постепенного, а качественного снижения стоимости полезных вычислений.

Однако подобный скачок нельзя объявлять на основании одного экспериментального достижения.

Необходимо заранее определить базу сравнения.

Например, современную массовую вычислительную систему.

Или специализированный ускоритель.

Или существующее решение для конкретной научной задачи.

После этого формулируется целевой масштаб улучшения.

Он может включать многократное, на порядок или на несколько порядков снижение полной стоимости выполнения определённой функции.

Однако такие показатели должны рассматриваться как исследовательские цели, а не как прогнозируемые гарантированные результаты.

Для каждой гипотезы необходимо установить физический механизм предполагаемого преимущества.

Затем построить техническую архитектуру.

Определить стоимость производства и эксплуатации.

Исследовать возможность масштабирования.

И только после этого оценивать достижимость поставленной экономической цели.

4.6.9. Почему физическая миниатюризация не гарантирует экономического прорыва
Предположим, что исследователи создали новый электронный элемент, обладающий чрезвычайно малыми размерами.

Это может быть фундаментальным достижением.

Однако необходимо установить, сколько подобных элементов требуется для выполнения полезной вычислительной функции.

Какова стоимость их соединения.

Сколько энергии потребляет управление.

Нуждается ли система в охлаждении.

Каков выход годных.

Какова продолжительность эксплуатации.

Если сопутствующие затраты оказываются велики, экономический выигрыш может отсутствовать.

Аналогичным образом увеличение плотности элементов не гарантирует соответствующего повышения быстродействия.

Следовательно, радикальное снижение стоимости вычислений должно достигаться посредством согласованного совершенствования элементной базы, архитектуры, производства и инфраструктуры.

Именно эта системная задача должна занимать центральное место в проектировании перспективной PICO.

4.6.10. Демократизация вычислительной мощности как стратегический горизонт
История персональных компьютеров демонстрирует, что технологические изменения способны коренным образом преобразовывать доступность вычислений.

Функции, ранее требовавшие крупных вычислительных центров, постепенно становились доступными отдельным пользователям.

Однако современные суперкомпьютеры, специализированные ускорители и большие интеллектуальные системы предъявляют чрезвычайно высокие требования к оборудованию и энергоснабжению.

Поэтому одна из долгосрочных целей Метаразвития заключается в исследовании возможности нового этапа демократизации вычислительной мощности.

В предельной постановке задача состоит в создании предпосылок для появления персональных вычислительных систем, способных выполнять задачи, которые сегодня требуют значительно более дорогой инфраструктуры.

Но подобную перспективу необходимо формулировать научно корректно.

Современные суперкомпьютеры различаются по архитектуре, памяти, энергетическим затратам и характеру решаемых задач.

Поэтому выражение «суперкомпьютер по цене персонального компьютера» должно уточняться посредством конкретных измеримых характеристик.

Например, производительности на определённом наборе вычислительных задач.

Стоимостью обработки заданного объёма информации.

Возможностью выполнения определённых алгоритмов моделирования.

Или эффективностью работы специализированных интеллектуальных систем.

Таким образом, стратегический ориентир массовой доступности вычислительной мощности должен преобразовываться в систему проверяемых технологических и экономических целей.

4.6.11. Программа поиска технологического триггера
Особое значение для PICO приобретает поиск такого физического или технологического решения, которое способно изменить сложившуюся зависимость между вычислительной мощностью и стоимостью.

Подобный механизм можно рассматривать как потенциальный технологический триггер.

Однако необходимо точно определить смысл этого понятия.

Триггером не следует называть любое новое устройство или необычное физическое явление.

Соответствующий результат должен обладать возможностью вызвать существенное изменение эффективности определённой технологической системы.

Например, за счёт нового способа массового формирования функциональных структур.

Или значительного уменьшения затрат на передачу информации.

Или создания ранее недоступной дешёвой электронной функции.

Или радикального сокращения числа операций, необходимых для достижения полезного вычислительного результата.

Поэтому для поиска таких решений следует использовать специальную исследовательскую процедуру.

Сначала формулируется физическая гипотеза.

Затем выявляется предполагаемый механизм экономического преимущества.

После этого устанавливается необходимый эксперимент.

Далее создаётся функциональное устройство.

Исследуются возможности интеграции.

И только при подтверждении положительных результатов выполняется полноценная технико-экономическая оценка.

Такой подход позволяет отделить научно перспективные направления от технологических предположений, пока не имеющих достаточных оснований.

4.6.12. Проектная модель радикального удешевления вычислений
Для генеральной программы Метаразвития предлагается использовать следующую последовательность.

На первом этапе определяется конкретная вычислительная функция.

На втором — устанавливается лучшая доступная технология её выполнения.

На третьем — определяется структура полной стоимости.

На четвёртом — формулируются альтернативные физические и архитектурные решения.

На пятом — проводится экспериментальная проверка соответствующих гипотез.

На шестом — оценивается влияние нового решения на стоимость законченной системы.

На седьмом — исследуется возможность масштабирования и массового внедрения.

Таким образом, проектирование должно строиться не вокруг абстрактного стремления к минимальному размеру элемента.

Оно должно строиться вокруг поиска физически обоснованного механизма качественного повышения доступности полезных вычислений.

Перспективная технологическая карта PICO
На основании рассмотренного материала можно выделить несколько основных исследовательских маршрутов.

Направление Ключевой эксперимент Главный риск
Атомарный кремний Повторяемая работа нескольких связанных элементов Медленное изготовление
Молекулярная электроника Однородные контакты и стабильное переключение Разброс параметров
Двумерные материалы Функциональные схемы с высоким выходом годных Дефекты и контакты
Атомарные спиновые регистры Управление связанными состояниями Шум и инфраструктура
Гибридная PICO–CMOS Работа законченного модуля Сложность интеграции
Специализированные вычисления Снижение полной стоимости полезной задачи Системные накладные затраты
Данная таблица представляет исследовательскую карту, а не перечень готовых промышленных технологий.

Различные направления находятся на разных стадиях зрелости.

Их дальнейшее развитие должно определяться результатами экспериментальных исследований и независимой проверки.

Значение проектирования PICO для генеральной технологии Метаразвития
В концепции настоящей книги PICO рассматривается как одна из двух базовых субтехнологий генеральной технологии Метаразвития.

Её задачей является создание новых физических оснований электронной техники.

Однако стратегическая ценность этой программы не ограничивается отдельными электронными приборами.

Исследования PICO способны стать одной из главных экспериментальных областей проверки Метаразвития.

Поскольку атомарная электроника соединяет физику, химию, вычислительное моделирование, метрологию и технологическое производство, она представляет особенно сложную задачу научного проектирования.

Для её решения необходимы эффективные способы формирования гипотез, организации экспериментов и анализа результатов.

Именно здесь возникает возможность взаимодействия с NOO.

Интеллектуально-креативные системы могут помогать исследовать новые материалы.

Оптимизировать технологические процессы.

Анализировать отклонения электронных характеристик.

Разрабатывать новые архитектуры.

Оценивать экономические последствия предложенных решений.

Однако генеральная технология Метаразвития должна подтверждать свою эффективность не количеством предложенных гипотез, а качеством и скоростью получения проверенных научно-технологических результатов.

Следовательно, одним из важнейших показателей её результативности становится способность совместной системы PICO–NOO воспроизводимо совершенствовать методы создания последующих технологий.

Заключение к главе 4
Проектирование пикоэлектроники представляет собой сложную научно-технологическую задачу, выходящую далеко за пределы миниатюризации электронных устройств.

Её физическим основанием становятся специально контролируемые атомарные конфигурации и электронные состояния.

Однако для создания полноценной технологии необходимо преобразовать эти возможности в воспроизводимые электронные функции.

Первое направление связано с исследованием перспективных материалов.

Кремний, двумерные полупроводники, молекулярные системы, атомарные дефекты и специальные функциональные материалы обладают различными преимуществами и ограничениями.

Следовательно, не существует оснований заранее объявлять один материал универсальной основой будущей PICO.

Второе направление связано с созданием функциональных структур.

Атомарное позиционирование, химическая самосборка, атомно-слоевые процессы и гибридные технологические маршруты предоставляют различные способы организации вещества.

Однако их перспективность должна определяться не только точностью, но и производительностью, воспроизводимостью и стоимостью.

Третье направление включает поиск новых архитектур вычислительных элементов.

Молекулярные, одноэлектронные, квантовые и резистивные устройства могут выполнять специализированные электронные функции.

Но их применение требует решения проблем управления, передачи информации, ошибок и надёжности.

Четвёртое направление связано с интеграцией.

Создание отдельных атомарных приборов необходимо дополнить разработкой контактов, управляющих схем, межсоединений и многоуровневых электронных систем.

Пятое направление связано с производственной масштабируемостью.

Для перехода от лаборатории к промышленности требуются статистически подтверждённая воспроизводимость, метрологический контроль, надёжность и экономически осуществимое производство.

Шестое направление имеет особое стратегическое значение.

Это поиск механизмов радикального снижения полной стоимости полезных вычислений.

Именно здесь физические исследования PICO непосредственно соединяются с экономическими целями Метаразвития.

Однако необходимо признать, что создание пикоэлектронного устройства само по себе не гарантирует дешёвых вычислений.

Для этого необходима согласованная работа всей технологической системы.

Следовательно, перспективная пикоэлектроника должна проектироваться одновременно как физическая, архитектурная, производственная и экономическая технология.

В рамках проекта INM её исследования могут стать важнейшей областью проверки генеральной технологии Метаразвития.

Но успех соответствующей программы должен подтверждаться конкретными научными и инженерными результатами.

От выбора материала — к управляемой атомарной структуре.

От структуры — к электронной функции.

От функции — к интегрированной архитектуре.

От архитектуры — к воспроизводимому производству.

От производства — к радикальному повышению доступности вычислительной мощности.

И от создания новых технологий — к совершенствованию самого механизма их создания.

Именно такая последовательность определяет научно-технологическую логику проектирования PICO.

Основные источники и научная литература к главе 4
Материалы, атомарные и молекулярные электронные структуры
Radisavljevic B., Radenovic A., Brivio J., Giacometti V., Kis A. Single-Layer MoS; Transistors. Nature Nanotechnology. 2011. Vol. 6. P. 147–150.
DOI: https://doi.org/10.1038/nnano.2010.279
Geim A. K., Grigorieva I. V. Van der Waals Heterostructures. Nature. 2013. Vol. 499. P. 419–425.
DOI: https://doi.org/10.1038/nature12385
Ghosh S., Zheng Y., Rafiq M. et al. A Complementary Two-Dimensional Material-Based One Instruction Set Computer. Nature. 2025. Vol. 642. P. 327–335.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-08963-7
Yang X., Li J., Song R. et al. Highly Reproducible van der Waals Integration of Two-Dimensional Electronics on the Wafer Scale. Nature Nanotechnology. 2023. Vol. 18. P. 471–478.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-023-01342-1
Hu Y., Zeng S., Wang Y. et al. Monolithic Integration of p- and n-Type Doped 2D WSe; for Wafer-Scale Complementary Logic Circuits. Nature Communications. 2026. Vol. 17. Article 6795.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-73144-7
Shen Z., Wu H., Liu C. et al. Wafer-Scale Monolayer Dielectric Integration on Atomically Thin Semiconductors. Nature Materials. 2026. Vol. 25. P. 199–206.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-025-02445-x
Schofield S. R., Curson N. J., Simmons M. Y. et al. Atomically Precise Placement of Single Dopants in Si. Physical Review Letters. 2003. Vol. 91. Article 136104.
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.91.136104
Fuechsle M., Miwa J. A., Mahapatra S. et al. A Single-Atom Transistor. Nature Nanotechnology. 2012. Vol. 7. P. 242–246.
DOI: https://doi.org/10.1038/nnano.2012.21
Edlbauer H. et al. An 11-Qubit Atom Processor in Silicon. Nature. 2025. Vol. 648. P. 569–575.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-09827-w
Kranz L., Simmons M. Y. From a Single Atom to Manufacturable Quantum Processors in Silicon. Nature Nanotechnology. 2026. Vol. 21. P. 1355–1357.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-026-02300-3
Li M., Yin B., Wang B. et al. Atomically Precise Construction of Uniform Single-Molecule Junctions for Molecular Electronics. Nature Communications. 2025. Vol. 16. Article 7657.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-63113-x
Strukov D. B., Snider G. S., Stewart D. R., Williams R. S. The Missing Memristor Found. Nature. 2008. Vol. 453. P. 80–83.
DOI: https://doi.org/10.1038/nature06932
Ielmini D., Wong H.-S. P. In-Memory Computing with Resistive Switching Devices. Nature Electronics. 2018. Vol. 1. P. 333–343.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41928-018-0092-2
Атомарно-точное производство и технологические процессы
George S. M. Atomic Layer Deposition: An Overview. Chemical Reviews. 2010. Vol. 110. No. 1. P. 111–131.
DOI: https://doi.org/10.1021/cr900056b
Kanarik K. J., Lill T., Hudson E. A. et al. Overview of Atomic Layer Etching in the Semiconductor Industry. Journal of Vacuum Science & Technology A. 2015. Vol. 33. Article 020802.
DOI: https://doi.org/10.1116/1.4913379
Eigler D. M., Schweizer E. K. Positioning Single Atoms with a Scanning Tunnelling Microscope. Nature. 1990. Vol. 344. P. 524–526.
DOI: https://doi.org/10.1038/344524a0
Rothemund P. W. K. Folding DNA to Create Nanoscale Shapes and Patterns. Nature. 2006. Vol. 440. P. 297–302.
DOI: https://doi.org/10.1038/nature04586
Трёхмерная интеграция, вычислительные архитектуры и межсоединения
Niu C., Long L., Zheng L. et al. Monolithic 3D Integration of Atomic-Layer-Deposited Oxide Semiconductors on 200-mm Silicon Wafers. Nature Nanotechnology. 2026. Электронная публикация.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-026-02276-0
Lam B., Yu Y. M., Nam H. et al. Monolithic Three-Dimensional Integration of Silicon Transistors. Nature. 2026. Vol. 654. P. 652–659.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10496-6
Guo Y., Zhang P., Liu Y. et al. A Towards-Foundry Strategy for Creating Fully Interconnected Two-Dimensional Microprocessors. Nature Electronics. 2026. Vol. 9. P. 159–169.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41928-026-01573-9
Members of the HRL Quantum Team and Collaborators. A Digitally Controlled Silicon Quantum Processing Unit. Nature. 2026. Vol. 655. P. 1154–1159.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10754-7
Zhang C., Xu F., Zhang S. et al. Universal Logical Operations in a Silicon Quantum Processor. Nature Nanotechnology. 2026. Vol. 21. P. 635–641.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-026-02140-1
UCIe Consortium. Universal Chiplet Interconnect Express Specification 3.0. 2025. Промышленная спецификация межкристальных соединений.
https://www.uciexpress.org/specifications
Kim B. et al. Co-Packaged Optics for High-Performance Computing and Artificial Intelligence. Nature Electronics. 2026. Vol. 9. P. 853–867.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41928-026-01681-6
Воспроизводимость, метрология и надёжность
JEDEC Solid State Technology Association. JESD47M: Stress-Test-Driven Qualification of Integrated Circuits. 2025. Промышленный стандарт квалификационных испытаний интегральных схем.
JCGM. Evaluation of Measurement Data — Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement. JCGM 100:2008. Joint Committee for Guides in Metrology.
DOI: https://doi.org/10.59161/JCGM100-2008E
Raghavachari M., Srinivasan A., Sullo P. Poisson Mixture Yield Models for Integrated Circuits: A Critical Review. Microelectronics Reliability. 1997. Vol. 37. No. 4. P. 565–580.
DOI: https://doi.org/10.1016/S0026-2714(96)00064-9
Физика, энергетика и экономика вычислений
Landauer R. Irreversibility and Heat Generation in the Computing Process. IBM Journal of Research and Development. 1961. Vol. 5. No. 3. P. 183–191.
DOI: https://doi.org/10.1147/rd.53.0183
Horowitz M. Computing’s Energy Problem (and What We Can Do About It). 2014 IEEE International Solid-State Circuits Conference. P. 10–14.
DOI: https://doi.org/10.1109/ISSCC.2014.6757323
International Energy Agency. Powering Artificial Intelligence: Strategies for Integrating Data Centres into Electricity Systems. 2026.
Дополнительные фундаментальные исследования квантовых вычислительных систем
Kane B. E. A Silicon-Based Nuclear Spin Quantum Computer. Nature. 1998. Vol. 393. P. 133–137.
DOI: https://doi.org/10.1038/30156
Loss D., DiVincenzo D. P. Quantum Computation with Quantum Dots. Physical Review A. 1998. Vol. 57. P. 120–126.
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevA.57.120
Zwanenburg F. A., Dzurak A. S., Morello A. et al. Silicon Quantum Electronics. Reviews of Modern Physics. 2013. Vol. 85. P. 961–1019.
DOI: https://doi.org/10.1103/RevModPhys.85.961
********