Het is moeilijk te overschatten hoeveel van ons moderne bestaan berust op een apparaat dat begon als een eenvoudig audiohulpmiddel. Vóór het midden van de 20e eeuw was elektronica zwaar, heet en onbetrouwbaar. Het publiek was voor alles afhankelijk van vacuümbuizen, van radio’s tot vroege computers. Ze waren kwetsbaar. Ze brandden vaak uit. Ze genereerden voldoende hitte om apparatuur te vervormen. Toen kwam de transistor.
Ontwikkeld in 1947 door ingenieurs van Bell Laboratories, was het oorspronkelijke doel bescheiden. Ze hadden een manier nodig om geluid via telefoonlijnen te versterken. De vacuümbuis was de standaard, maar hij was onhandig. Het nieuwe apparaat verving het door iets solid-state. Het was kleiner. Het was koeler. Het was betrouwbaarder.
De eerste iteratie was een puntcontacttransistor. Het was een halve centimeter hoog. Ongeveer 1,27 centimeter. Het was naar huidige maatstaven niet bijzonder krachtig, maar natuurkundigen zagen het potentieel onmiddellijk. Ingenieurs begonnen deze kleine schakelaars in radio’s en andere elektronica te plaatsen. Ze leerden ze te verkleinen. Ze leerden ze efficiënter te maken.
Deze meedogenloze miniaturisering leidde in 1958 tot een grote sprong. Ingenieurs bevestigden twee transistors op één enkel siliciumkristal. Ze creëerden het eerste geïntegreerde circuit. Dit was de brug naar de microprocessor. Als een computer een lichaam is, is de microprocessor het brein. Het verwerkt gegevens. Het maakt berekeningen. Zonder het geïntegreerde circuit vormen die hersenen zich nooit.
De wet van Moore en de Silicon Crunch
In de jaren zestig had het innovatietempo een naam. Gordon Moore, een computerwetenschapper en mede-oprichter van Intel, merkte een patroon op. Hij merkte op dat ingenieurs elke twaalf maanden het aantal transistors op een vierkante centimeter silicium verdubbelden. Het gebeurde als een uurwerk. De maat ging omlaag. De dichtheid ging omhoog.
Deze trend bracht ons de personal computer. De smartphone. De MP3-speler. Zonder deze kleine schakelaars zouden we nog steeds op mechanische schakelaars klikken en op vacuümbuizen vertrouwen om basisberekeningen uit te voeren. De krimpende trend zette zich tientallen jaren voort. Maar het heeft de oorspronkelijke voorspelling van Moore niet helemaal bijgehouden. Tegenwoordig duurt de verdubbelingscyclus ongeveer 24 maanden. Het is langzamer. Maar het resultaat is hetzelfde. We stoppen meer kracht in kleinere ruimtes.
Hoe klein kan een transistor worden? In 1947 was dat eerste apparaat ruim een honderdste meter hoog. In de jaren 2010 produceerde Intel microprocessors met transistors van slechts 45 nanometer breed. Een nanometer is een miljardste van een meter. De schaal is moeilijk te begrijpen.
Fysieke grenzen en toekomstige chips
Fabrikanten werken al aan de volgende generatie. Chips evolueren naar transistors die slechts 32 nanometer breed zijn. Maar sommige natuurkundigen en ingenieurs luiden de noodklok. Het zou kunnen dat we tegen fundamentele fysieke grenzen aanlopen. Kwantumeffecten beginnen te interfereren als dingen zo klein worden. Elektronen tunnelen door barrières waar ze niet zouden moeten komen. Warmte wordt een nachtmerrie.
De geschiedenis van de transistor gaat niet alleen over techniek. Het gaat over onze niet aflatende drang om dingen kleiner te maken. Sneller. Efficiënter. We botsten tegen een muur. De muur is een fysieke wet. Maar wij blijven aandringen. De komende jaren zullen ons leren of we doorbreken of dat we het einde van de lijn voor silicium hebben bereikt.
Anatomie van een transistor
Om te begrijpen waarom computers tegen een muur botsen, moet je eerst begrijpen wat een transistor is. Het is geen magie. Het is een schakelaar. En niet zomaar een schakelaar. Het is een schakelaar die is opgebouwd uit materie die zich onder druk vreemd gedraagt.
Materie valt over het algemeen in drie emmers.
Geleiders laten elektriciteit vrij stromen. Denk aan koper. Het heeft voldoende vrije elektronen die klaar zijn om te bewegen.
Isolatoren blokkeren de doorstroming volledig. Glas. Keramiek. De elektronen zitten vast.
Dan zijn er de halfgeleiders. Silicium zit in het midden. Het heeft wat elektronenruimte, maar niet genoeg om te geleiden als een metaal. Het is koppig. Het heeft een duwtje nodig.
Dat duwtje in de rug is de sleutel. Door de omstandigheden aan te passen, dwingen ingenieurs silicium om te schakelen tussen geleidend en isolerend. Dit binaire gedrag – aan en uit – vormt de basis van alle moderne computers. Maar om silicium zich te laten gedragen, is een proces nodig dat doping wordt genoemd.
Doping en het substraat
Ingenieurs introduceren specifieke onzuiverheden in silicium om de elektrische eigenschappen ervan te veranderen. Ze beginnen met een basismateriaal dat een substraat wordt genoemd.
In ons voorbeeld kijken we naar een n-type transistor. Dit betekent dat het substraat positief geladen is.
Om dit te laten werken, heb je drie specifieke terminals bovenop dat substraat nodig:
- Bron
- Afvoer
- Poort
De poort bevindt zich tussen de bron en de afvoer. Het fungeert als een eenrichtingsklep voor spanning. Het laat elektriciteit in het silicium dringen, maar het ontwerp voorkomt dat het weer naar buiten stroomt.
Hoe? De poort wordt gescheiden van het substraat door een dunne oxidelaag. Deze isolator voorkomt dat elektronen rechtstreeks door de poortaansluiting gaan.
Bij een n-type transistor zijn de source en drain negatief geladen. Wanneer je een positieve spanning op de poort aanbrengt, gebeurt er iets fysieks in het silicium.
Het elektronenkanaal
Breng positieve spanning aan op de poort.
Hierdoor worden de vrije elektronen in het positief geladen substraat aangetrokken. Ze stapelen zich op tegen de oxidelaag onder de poort.
Hierdoor ontstaat een elektronenkanaal.
Er vormt zich een brug van geleidbaarheid tussen de bron en de afvoer.
Als je vervolgens een positieve spanning in de afvoer duwt, stromen er elektronen. Ze reizen van de bron, door dat nieuw gevormde kanaal, naar de afvoer.
De spanning van de poort halen? De aantrekkingskracht verdwijnt. De elektronen verstrooien. Het kanaal stort in.
Huidige stopt.
Dit is hoe een transistor als schakelaar fungeert.
- Spanning op poort = Aan
- Geen spanning op poort = Uit
Computers lezen deze binaire toestand als bits. Een. Nul. Een. Nul. Je hele digitale leven is gebouwd op miljarden van deze kleine, fysieke schakelaars die heen en weer schakelen.
P-type variaties
Voor de duidelijkheid hebben we een n-type transistor gebruikt. Maar er bestaan ook p-type transistors.
In een p-type opstelling keert u de kosten om. Het substraat is gedoteerd met negatief geladen materiaal. De terminals zijn positief geladen. De logica blijft hetzelfde, maar de fysica van de ladingsdragers verandert.
De meeste moderne chips gebruiken een combinatie van beide typen, bekend als CMOS-technologie, om het stroomverbruik te minimaliseren. Maar voordat we bij de architectuur komen, moeten we de hardware onder ogen zien.
Transistors op nanoschaal
Het probleem is niet het concept. Het concept werkt. Het probleem is de grootte.
Naarmate transistoren kleiner worden om er meer op een chip te passen, beginnen kwantumeffecten binnen te dringen. Elektronen tunnelen door barrières die ze niet zouden moeten kunnen passeren. De oxidelaag wordt zo dun dat er elektronen doorheen lekken, zelfs als de poort uit staat.
Deze lekkage verkort de levensduur van de batterij. Het genereert warmte. En het creëert fouten.
We zijn al tientallen jaren bezig met het miniaturiseren van transistors. We hebben bijna geen ruimte meer om ze kleiner te maken zonder de wetten van de natuurkunde te overtreden.
Wat gebeurt er als de schakelaar zelf onbetrouwbaar wordt?
Waarom transistorkrimp een fysieke muur raakt
Journalisten voorspellen graag de dood van de wet van Moore. Elk jaar publiceert iemand een stuk waarin wordt verklaard dat transistors hun limiet hebben bereikt. Dan vinden ingenieurs een oplossing. De transistor wordt kleiner. De voorspelling klopt niet. We bevinden ons in een cyclus van valse alarmen, deels omdat schrijvers terughoudend zijn geworden in het benoemen van het eindspel.
Maar het eindspel is reëel. Het is geen kwestie van technische vaardigheid. Het is een kwestie van natuurkunde.
Zodra je de nanoschaal bereikt, laat je de klassieke natuurkunde achter je. Je betreedt de wereld van kwantummechanica. Hier handelen materie en energie volgens regels die contra-intuïtief lijken. Je kunt een kwantumsysteem niet eens observeren zonder zijn gedrag te veranderen.
Als elektronen onder welke omstandigheden dan ook door een poort kunnen gaan, is er geen manier om hun stroom te controleren.
Het grootste probleem is elektronentunneling. Zie het als teleportatie. Wanneer een materiële barrière extreem dun is – ongeveer één nanometer, of de breedte van tien atomen – kunnen elektronen er dwars doorheen gaan. Ze maken geen gat. Ze slaan niet door. Het elektron verdwijnt eenvoudigweg aan de ene kant en verschijnt aan de andere kant weer.
Poorten worden verondersteld de elektronenstroom te controleren. Als elektronen door de poort tunnelen, gaat de controle verloren. Je krijgt lekkende transistors. De processor wordt ineffectief. Het functioneert misschien niet eens.
Bedrijven als Intel werken al met transistors van ongeveer 32 nanometer breed. De oxidelaag wordt gevaarlijk dun. In het verleden hebben ingenieurs altijd een manier gevonden om deze obstakels te omzeilen. Ze houden zich aan de wet van Moore. Maar deze keer worden ze geconfronteerd met een fundamentele natuurwet.
Ingenieurs zouden een effectieve isolator kunnen vinden op één nanometer. Het is mogelijk. Maar zelfs dan is er met traditionele transistors niet veel verder te komen. Voorbij de nanoschaal ligt de atomaire schaal. Hier zijn materialen slechts enkele atomen groot. Je hebt geen materiaal meer om mee te werken.
Dit betekent niet dat transistors zullen verdwijnen. Het betekent dat de exponentiële groei in de ontwikkeling van microprocessors zal vertragen. Het zal afvlakken. De verbeteringen op het gebied van de ruwe verwerkingskracht zullen niet in hetzelfde razend tempo doorgaan.
Maar fabrikanten zullen nog steeds manieren vinden om de efficiëntie te verbeteren. De prestaties zullen toenemen, maar niet exponentieel.
Er is nog een andere mogelijkheid. Microprocessormakers zoeken naar alternatieven voor traditionele transistors. Sommigen proberen al kwantumeffecten op nanoschaal te benutten. Ze veranderen nano-citroenen in nano-limonade.
De wet van Moore zal wellicht nog maar een paar jaar standhouden. Maar als je decennia terugkijkt, beweerden journalisten dezelfde bewering. Ingenieurs zien deze voorspellingen waarschijnlijk als een persoonlijke uitdaging. Ze zullen blijven aandringen. Maar de wetten van de natuurkunde zijn een harde muur om te doorbreken.
Kleine pakketten
De Intel Atom is een verzameling kleine maar krachtige processors die zijn ontworpen om op smartphones te werken.
