Je těžké přeceňovat, jak moc náš moderní život závisí na zařízení, které začalo jako jednoduchý zvukový nástroj. Až do poloviny 20. století byla elektronika těžká, horká a nespolehlivá. Společnost spoléhala na elektronky pro všechno od rádií po první počítače. Byly křehké. Často se rozpadly. Vytvářely tolik tepla, že zdeformovaly zařízení. Pak přišel tranzistor.
Vyvinutý v roce 1947 inženýry v Bell Laboratories, původní cíl byl skromný. Potřebovali způsob, jak zesílit zvuk na telefonních linkách. Standardem byla vakuová trubice, ale byla objemná. Nové zařízení jej nahradilo polovodičovým analogem. Bylo menší. Vytvářelo méně tepla. Bylo to spolehlivější.
První verzí byl point-contact tranzistor. Byl půl palce vysoký. Přibližně 1,27 centimetru. Na dnešní poměry nebyl příliš výkonný, ale fyzici okamžitě viděli jeho potenciál. Inženýři začali instalovat tyto drobné spínače do rádií a další elektroniky. Naučili se zmenšovat jejich velikost. Naučili se, jak zlepšit svou efektivitu.
Tento nepřetržitý vývoj miniatur vedl k významnému skoku v roce 1958. Inženýři spojili dva tranzistory do jediného křemíkového čipu. Vytvořili první integrovaný obvod. To se stalo mostem k mikroprocesoru. Pokud je počítač tělem, pak je mikroprocesor jeho mozkem. Zpracovává data. Provádí výpočty. Bez integrovaného obvodu by tento mozek nikdy nevznikl.
Moorův zákon a křemíková krize
V 60. letech mělo tempo inovací jméno. Gordon Moore, počítačový vědec a spoluzakladatel společnosti Intel, si všiml vzoru. Sledoval, jak inženýři každých dvanáct měsíců zdvojnásobili počet tranzistorů na čtvereční palec křemíku. Stalo se to jako hodinky. Velikosti se zmenšily. Hustota se zvýšila.
Tento trend nám dal osobní počítače. chytré telefony. MP3 přehrávače. Bez těchto drobných spínačů bychom stále přepínali mechanické páčkové spínače a spoléhali na elektronky, abychom provedli základní matematiku. Sestupný trend pokračuje již desítky let. Ale nedrží krok s původní Moorovou předpovědí. Dnes cyklus zdvojení trvá asi 24 měsíců. Je to pomalejší. Ale výsledek je stejný. Větší výkon balíme do menších prostor.
Jak malý tedy může být tranzistor? V roce 1947 byl první přístroj vysoký více než setinu metru. V roce 2010 Intel vyráběl mikroprocesory s tranzistory o šířce pouhých 45 nanometrů. Nanometr je jedna miliardtina metru. Stupnice je těžko uchopitelná.
Fyzické limity a budoucí čipy
Výrobci už pracují na další generaci. Čipy se přesouvají na tranzistory, které jsou široké pouhých 32 nanometrů. Někteří fyzici a inženýři ale bijí na poplach. Můžeme narazit na zásadní fyzická omezení. Kvantové efekty začnou rušit, když jsou objekty tak malé. Elektrony tunelují bariérami, kterými by neměly procházet. Horko se stává noční můrou.
Historie tranzistoru není jen historií inženýrství. Je to naše neúnavná snaha dělat věci menší. Rychleji. Účinnější. Narážíme do zdi. Tato stěna je fyzikální zákon. Ale pokračujeme v tlaku. Příští roky ukážou, zda se nám podaří prorazit, nebo zda jsme se dostali na konec řady na křemík.
Anatomie tranzistoru
Abychom pochopili, proč počítače dosáhly svého limitu, musíme nejprve pochopit, co je tranzistor. Není to magie. Toto je spínač. A ne ledajaký vypínač. Je to spínač vyrobený z látky, která se pod tlakem chová zvláštně.
Látka se obecně dělí do tří kategorií.
Vodiče umožňují volný průchod elektrického proudu. Vezměte měď. Obsahuje mnoho volných elektronů připravených k pohybu.
Dielektrika zcela blokují průtok. Sklo. Keramika. Elektrony jsou uzamčeny.
Pak jsou tu polovodiče. Silikon je uprostřed. Má určitý prostor pro elektrony, ale ne dost, aby vedl jako kov. Je tvrdohlavý. Potřebuje postrčit.
Tento tlak je klíčový. Změnou podmínek inženýři nutí křemík přepínat mezi vodivým a izolačním stavem. Toto binární chování – zapnutí a vypnutí – je základem všech moderních počítačů. Ale aby se křemík choval tak, jak chcete, vyžaduje proces zvaný doping.
Doping a substrát
Inženýři vnášejí do křemíku určité nečistoty, aby změnili jeho elektrické vlastnosti. Začínají základním materiálem zvaným substrát.
V našem příkladu uvažujeme tranzistor typu n. To znamená, že substrát má kladný náboj.
Aby to fungovalo, potřebujete tři specifické kolíky na povrchu tohoto substrátu:
- Zdroj
- Skladem
- Závěrka
Vrata se nachází mezi zdrojem a odtokem. Funguje jako jednosměrný ventil pro napětí. Umožňuje proudění elektřiny do křemíku, ale konstrukce brání jejímu zpětnému toku.
Jak? Brána je oddělena od substrátu tenkou oxidovou vrstvou. Tento izolátor zabraňuje elektronům procházet přímo přes terminál hradla.
V tranzistoru typu n mají zdroj a kolektor záporný náboj. Když na bránu přivedete kladné napětí, dojde uvnitř křemíku k fyzické změně.
Elektronický kanál
Přiveďte kladné napětí na bránu.
To přitahuje volné elektrony v kladně nabitém substrátu. Hromadí se proti vrstvě oxidu pod bránou.
Tím se vytvoří elektronický kanál.
Mezi zdrojem a odtokem je vytvořen vodivý můstek.
Pokud poté přivedete kladné napětí na odtok, elektrony potečou. Pohybují se od zdroje přes tento nově vytvořený kanál a ven do odpadu.
Odebrat napětí z brány? Přitažlivost mizí. Elektrony jsou rozptýleny. Kanál je zničen.
Proud se zastaví.
Tranzistor tedy funguje jako spínač.
Napětí brány = Zapnuto
Žádné napětí brány = Vypnuto
Počítače čtou tento binární stav jako bity. Jednotka. Nula. Jednotka. Nula. Celý váš digitální život je postaven na miliardách těchto drobných fyzických přepínačů, které se neustále přepínají tam a zpět.
možnosti typu p
Pro přehlednost jsme použili tranzistor typu n. Existují ale také tranzistory typu p.
V obvodu typu p obracíte polaritu nábojů. Substrát je dopován materiálem se záporným nábojem. Svorky mají kladný náboj. Logika zůstává stejná, ale fyzika nosičů náboje je obrácená.
Většina moderních čipů využívá kombinaci obou typů, známou jako technologie CMOS, aby se minimalizovala spotřeba energie. Než se ale dostaneme k architektuře, musíme čelit hardwaru.
Tranzistory v nanoměřítku
Problém není v konceptu. Koncept funguje. Problémem je velikost.
Jak se tranzistory zmenšují, aby jich bylo na čipu více, začínají se objevovat kvantové efekty. Elektrony tunelují bariérami, které nemají překročit. Vrstva oxidu se stává tak tenkou, že přes ni unikají elektrony, i když je brána vypnutá.
Tento únik snižuje životnost baterie. Vytváří teplo. A vytváří chyby.
Tranzistory miniaturizujeme po celá desetiletí. Dochází nám prostor pro jejich další snížení, aniž bychom porušili fyzikální zákony.
Co se stane, když se samotný přepínač stane nespolehlivým?
Proč zmenšující se tranzistory narážejí na fyzikální limity
Novináři rádi předpovídají smrt Moorova zákona. Každý rok někdo publikuje článek, který tvrdí, že tranzistory dosáhly svého limitu velikosti. Inženýři pak najdou řešení. Tranzistor klesá. Předpověď se ukazuje jako chybná. Jsme v cyklu falešných poplachů, částečně proto, že autoři začali být opatrní s vyhlášením konce hry.
Ale konec hry je skutečný. To není otázka inženýrských dovedností. To je věc fyziky.
Jakmile dosáhnete nano úrovně, opustíte klasickou fyziku. Vstupujete do světa kvantové mechaniky. Zde se hmota a energie podřizují pravidlům, která se zdají být neintuitivní. Nemůžete ani pozorovat kvantový systém, aniž byste změnili jeho chování.
Pokud mohou elektrony za jakýchkoli okolností projít bránou, je nemožné řídit jejich tok.
Největší problém je tunelování elektronů. Představte si teleportaci. Když se bariéra materiálu stane extrémně tenkou – asi jeden nanometr nebo šířka deseti atomů – elektrony mohou procházet přímo skrz ni. Neudělají díru. Nepronikají skrz. Elektron jednoduše zmizí na jedné straně a objeví se na druhé.
Brány jsou určeny k řízení toku elektronů. Pokud elektrony projdou bránou, kontrola se ztratí. Výsledkem jsou „únikové“ tranzistory. Procesor se stává neefektivním. Nemusí fungovat vůbec.
Společnosti jako Intel již pracují s tranzistory, které jsou široké asi 32 nanometrů. Vrstva oxidu se nebezpečně ztenčuje. V minulosti inženýři vždy našli způsob, jak tyto překážky obejít. Drží krok s Moorovým zákonem. Tentokrát ale čelí základnímu přírodnímu zákonu.
Inženýři mohou najít účinný izolátor tenký jako jeden nanometr. Je to možné. Ale ani v tomto případě není s tradičními tranzistory téměř kam jít dál. Za nanoměřítkem je atomové měřítko. Zde mají materiály velikost pouze několika atomů. Dochází vám materiál, se kterým můžete pracovat.
To neznamená, že tranzistory zmizí. To znamená, že exponenciální růst ve vývoji mikroprocesorů se zpomalí. Dostane se na náhorní plošinu. Zlepšení čistého výpočetního výkonu nebude pokračovat stejně rychlým tempem.
Výrobci však stále najdou způsoby, jak zvýšit účinnost. Produktivita se zvýší, ale ne exponenciálně.
Existuje ještě jedna možnost. Výrobci mikroprocesorů hledají alternativy k tradičním tranzistorům. Někteří se již snaží využít kvantové efekty v nanoměřítku. Proměňují nano-citrony na nano-limonády.
Moorův zákon může existovat ještě několik let. Ale když se ohlédnete o desítky let později, novináři tvrdili stejná tvrzení. Inženýři pravděpodobně berou tyto předpovědi jako osobní výzvu. Budou pokračovat v postupu. Fyzikální zákony jsou ale pevnou zdí, kterou je těžké prorazit.
Malé balíčky
Intel Atom je sada malých, ale výkonných procesorů určených k napájení chytrých telefonů.
