Trudno przecenić, jak bardzo nasze współczesne życie zależy od urządzenia, które na początku było prostym narzędziem audio. Do połowy XX wieku elektronika była ciężka, gorąca i zawodna. Społeczeństwo polegało na lampach próżniowych we wszystkim, od radia po wczesne komputery. Były kruche. Często się psuły. Wytworzyły tak dużo ciepła, że zdeformowały sprzęt. Potem pojawił się tranzystor.
Opracowany w 1947 roku przez inżynierów z Bell Laboratories, pierwotny cel był skromny. Potrzebowali sposobu na wzmocnienie dźwięku na liniach telefonicznych. Rura próżniowa była standardem, ale była nieporęczna. Nowe urządzenie zastąpiło je analogiem półprzewodnikowym. Było mniejsze. Wygenerował mniej ciepła. To było bardziej niezawodne.
Pierwszą wersją był tranzystor punktowy. Miała pół cala wysokości. Około 1,27 centymetra. Nie był zbyt potężny jak na dzisiejsze standardy, ale fizycy natychmiast dostrzegli jego potencjał. Inżynierowie zaczęli instalować te maleńkie przełączniki w radiach i innych urządzeniach elektronicznych. Nauczyli się zmniejszać swój rozmiar. Dowiedzieli się, jak poprawić swoją efektywność.
Ten ciągły rozwój miniatur doprowadził do znaczącego skoku w 1958 roku. Inżynierowie połączyli dwa tranzystory z pojedynczym kryształem krzemu. Stworzyli pierwszy układ scalony. Stało się to pomostem do mikroprocesora. Jeśli komputer jest ciałem, to mikroprocesor jest jego mózgiem. Przetwarza dane. Wykonuje obliczenia. Bez układu scalonego ten mózg nigdy by nie powstał.
Prawo Moore’a i kryzys krzemowy
W latach sześćdziesiątych tempo innowacji miało już nazwę. Gordon Moore, informatyk i współzałożyciel Intela, zauważył pewną prawidłowość. Przyglądał się, jak inżynierowie podwajali liczbę tranzystorów na cal kwadratowy krzemu co dwanaście miesięcy. Stało się jak w zegarku. Rozmiary się zmniejszyły. Gęstość wzrosła.
Ten trend dał nam komputery osobiste. Smartfony. Odtwarzacze MP3. Bez tych maleńkich przełączników nadal przełączalibyśmy mechaniczne przełączniki i polegali na lampach próżniowych do wykonywania podstawowych obliczeń. Tendencja spadkowa utrzymuje się od kilkudziesięciu lat. Jednak nie do końca pokrywa się to z pierwotnymi przewidywaniami Moore’a. Dziś cykl podwojenia trwa około 24 miesięcy. Jest wolniej. Ale wynik jest taki sam. Większą moc pakujemy w mniejsze przestrzenie.
Jak mały może być tranzystor? W 1947 roku pierwsze urządzenie miało ponad jedną setną metra wysokości. Do 2010 roku Intel produkował mikroprocesory z tranzystorami o szerokości zaledwie 45 nanometrów. Nanometr to jedna miliardowa część metra. Skala jest trudna do uchwycenia.
Limity fizyczne i przyszłe żetony
Producenci pracują już nad kolejną generacją. Chipy przenoszą się do tranzystorów o szerokości zaledwie 32 nanometrów. Ale niektórzy fizycy i inżynierowie biją na alarm. Możemy napotkać fundamentalne ograniczenia fizyczne. Efekty kwantowe zaczynają zakłócać, gdy obiekty stają się tak małe. Elektrony tunelują przez bariery, przez które nie powinny przechodzić. Upał staje się koszmarem.
Historia tranzystora to nie tylko historia inżynierii. To nasze nieustanne dążenie do zmniejszania rzeczy. Szybciej. Bardziej wydajny. Uderzamy w ścianę. Ta ściana to prawo fizyczne. Ale nadal naciskamy. Najbliższe kilka lat pokaże, czy uda nam się przebić, czy też dotarliśmy do końca linii krzemu.
Anatomia tranzystora
Aby zrozumieć, dlaczego komputery osiągają swoje granice, musimy najpierw zrozumieć, czym jest tranzystor. To nie magia. To jest przełącznik. I nie byle jaki przełącznik. To przełącznik wykonany z substancji, która dziwnie zachowuje się pod ciśnieniem.
Substancję ogólnie dzieli się na trzy kategorie.
Przewodniki umożliwiają swobodny przepływ prądu elektrycznego. Weź miedź. Zawiera wiele wolnych elektronów gotowych do ruchu.
Dielektryki całkowicie blokują przepływ. Szkło. Ceramika. Elektrony są zablokowane.
Następnie są półprzewodniki. Silikon jest pośrodku. Ma trochę miejsca dla elektronów, ale nie na tyle, aby przewodzić jak metal. Jest uparty. Potrzebuje pchnięcia.
To pchnięcie jest kluczem. Zmieniając warunki, inżynierowie zmuszają krzem do przełączania się między stanem przewodzącym i izolującym. To binarne zachowanie — włączanie i wyłączanie — jest podstawą wszystkich współczesnych komputerów. Jednak sprawienie, aby krzem zachowywał się tak, jak chcesz, wymaga procesu zwanego dopingiem.
Doping i substrat
Inżynierowie wprowadzają do krzemu pewne zanieczyszczenia, aby zmienić jego właściwości elektryczne. Zaczynają od materiału bazowego zwanego podłożem.
W naszym przykładzie rozważamy tranzystor typu n. Oznacza to, że podłoże ma ładunek dodatni.
Aby to zadziałało potrzebne są trzy konkretne piny na powierzchni tego podłoża:
- Źródło
- Zapas
- Migawka
Brama znajduje się pomiędzy źródłem a drenem. Działa jak zawór jednokierunkowy napięcia. Umożliwia przepływ prądu do krzemu, ale jego konstrukcja zapobiega jego cofaniu się.
Jak? Brama jest oddzielona od podłoża cienką warstwą tlenkową. Izolator ten zapobiega przedostawaniu się elektronów bezpośrednio przez końcówkę bramki.
W tranzystorze typu n źródło i dren mają ładunek ujemny. Po przyłożeniu do bramki napięcia dodatniego wewnątrz krzemu następuje fizyczna zmiana.
Kanał elektroniczny
Przyłóż napięcie dodatnie do bramki.
Przyciąga to wolne elektrony w dodatnio naładowanym podłożu. Gromadzą się na warstwie tlenku pod bramą.
Tworzy to kanał elektroniczny.
Pomiędzy źródłem a drenem powstaje mostek przewodzący.
Jeśli następnie przyłożysz napięcie dodatnie do drenu, elektrony będą płynąć. Poruszają się od źródła przez nowo utworzony kanał do odpływu.
Usunąć napięcie z bramki? Atrakcyjność znika. Elektrony są rozproszone. Kanał jest zniszczony.
Prąd zatrzymuje się.
Zatem tranzystor działa jak przełącznik.
Napięcie bramki = Wł.
Brak napięcia bramki = Wył.
Komputery odczytują ten stan binarny jako bity. Jednostka. Zero. Jednostka. Zero. Całe Twoje cyfrowe życie opiera się na miliardach tych maleńkich fizycznych przełączników, nieustannie przełączających się w tę i z powrotem.
opcje typu p
Dla przejrzystości użyliśmy tranzystor typu n. Ale są też tranzystory typu p.
W obwodzie typu p odwraca się polaryzację ładunków. Podłoże domieszkowane jest materiałem o ładunku ujemnym. Zaciski mają ładunek dodatni. Logika pozostaje ta sama, ale fizyka nośników ładunku jest odwrócona.
Większość nowoczesnych chipów wykorzystuje kombinację obu typów, znaną jako technologia CMOS, aby zminimalizować zużycie energii. Zanim jednak przejdziemy do architektury, musimy zmierzyć się ze sprzętem.
Tranzystory w nanoskali
Problemem nie jest koncepcja. Koncepcja działa. Problemem jest rozmiar.
W miarę jak tranzystory stają się mniejsze, aby pomieścić ich więcej w chipie, zaczynają pojawiać się efekty kwantowe. Elektrony tunelują przez bariery, których nie powinny przekraczać. Warstwa tlenku staje się tak cienka, że elektrony przedostają się przez nią nawet wtedy, gdy bramka jest wyłączona.
Ten wyciek zabija żywotność baterii. Generuje ciepło. I generuje błędy.
Miniaturujemy tranzystory od dziesięcioleci. Nie mamy już możliwości ich dalszej redukcji bez naruszania praw fizyki.
Co się stanie, gdy sam przełącznik stanie się zawodny?
Dlaczego kurczenie się tranzystorów osiąga fizyczną granicę
Dziennikarze uwielbiają przepowiadać śmierć prawa Moore’a. Co roku ktoś publikuje artykuł, w którym twierdzi, że tranzystory osiągnęły swój limit wielkości. Inżynierowie znajdują następnie obejście. Tranzystor maleje. Prognoza okazuje się błędna. Znajdujemy się w kręgu fałszywych alarmów, częściowo dlatego, że scenarzyści zaczęli obawiać się ogłaszania końca gry.
Ale gra końcowa jest prawdziwa. To nie jest kwestia umiejętności inżynierskich. To kwestia fizyki.
Kiedy osiągniesz poziom nano, zostawiasz za sobą fizykę klasyczną. Wkraczasz w świat mechaniki kwantowej. Tutaj materia i energia podlegają regułom, które wydają się sprzeczne z intuicją. Nie można nawet obserwować układu kwantowego bez zmiany jego zachowania.
Jeżeli elektrony mogą przejść przez bramkę w każdych okolicznościach, niemożliwa jest kontrola ich przepływu.
Największym problemem jest tunelowanie elektronów. Wyobraź sobie teleportację. Kiedy bariera materiału staje się niezwykle cienka – około jednego nanometra, czyli szerokości dziesięciu atomów – elektrony mogą przez nią przejść. Nie robią dziury. Nie przenikają. Elektron po prostu znika z jednej strony i pojawia się z drugiej.
Bramki służą do kontrolowania przepływu elektronów. Jeśli elektrony przejdą przez bramkę, kontrola zostanie utracona. Rezultatem są „wyciekające” tranzystory. Procesor staje się nieefektywny. Może w ogóle nie działać.
Firmy takie jak Intel już pracują z tranzystorami o szerokości około 32 nanometrów. Warstwa tlenku staje się niebezpiecznie cienka. W przeszłości inżynierowie zawsze znajdowali sposób na ominięcie tych przeszkód. Działają zgodnie z prawem Moore’a. Tym razem jednak stają przed fundamentalnym prawem natury.
Inżynierowie mogą znaleźć skuteczny izolator o grubości zaledwie jednego nanometra. To możliwe. Ale nawet w tym przypadku nie ma prawie gdzie pójść dalej z tradycyjnymi tranzystorami. Poza nanoskalą istnieje skala atomowa. Tutaj materiały mają wielkość zaledwie kilku atomów. Kończy Ci się materiał do pracy.
Nie oznacza to jednak, że tranzystory znikną. Oznacza to, że wykładniczy rozwój mikroprocesorów ulegnie spowolnieniu. Osiągnie płaskowyż. Poprawa czystej mocy obliczeniowej nie będzie następować w tak szybkim tempie.
Jednak producenci nadal znajdą sposoby na poprawę wydajności. Produktywność wzrośnie, ale nie wykładniczo.
Istnieje inna możliwość. Producenci mikroprocesorów poszukują alternatyw dla tradycyjnych tranzystorów. Niektórzy już próbują wykorzystać efekty kwantowe w nanoskali. Zamieniają nano-cytryny w nano-lemoniadę.
Prawo Moore’a może obowiązywać jeszcze przez kilka lat. Ale jeśli spojrzysz wstecz kilkadziesiąt lat później, dziennikarze formułowali te same twierdzenia. Inżynierowie prawdopodobnie traktują te przewidywania jako osobiste wyzwanie. Będą nadal posuwać się do przodu. Ale prawa fizyki to solidny mur, który trudno przebić.
Małe paczki
Intel Atom to zestaw małych, ale wydajnych procesorów przeznaczonych do zasilania smartfonów.
