Трудно переоценить, насколько сильно наша современная жизнь зависит от устройства, которое начиналось как простой инструмент для работы со звуком. До середины XX века электроника была тяжелой, горячей и ненадежной. Общество полагалось на вакуумные лампы во всем: от радиоприемников до первых компьютеров. Они были хрупкими. Часто выходили из строя. Выделяли столько тепла, что деформировали оборудование. Затем появился транзистор.
Разработанный в 1947 году инженерами из Bell Laboratories, первоначальная цель была скромной. Им нужен был способ усиления звука в телефонных линиях. Вакуумная лампа была стандартом, но она была громоздкой. Новое устройство заменило ее твердотельным аналогом. Оно было меньше. Оно выделяло меньше тепла. Оно было надежнее.
Первой версией стал точечно-контактный транзистор. Его высота составляла полдюйма. Примерно 1,27 сантиметра. По сегодняшним стандартам он не отличался высокой мощностью, но физики сразу увидели его потенциал. Инженеры начали устанавливать эти крошечные переключатели в радиоприемники и другую электронику. Они научились уменьшать их размеры. Они научились повышать их эффективность.
Это непрерывное миниатюрное развитие привело к значительному скачку в 1958 году. Инженеры подключили два транзистора к единому кристаллу кремния. Они создали первую интегральную схему. Это стал мост к микропроцессору. Если компьютер — это тело, то микропроцессор — его мозг. Он обрабатывает данные. Он выполняет вычисления. Без интегральной схемы этот мозг никогда не сформировался бы.
Закон Мура и кремниевый кризис
К 1960-м годам у темпов инноваций появилось имя. Гордон Мур, ученый в области компьютерных наук и сооснователь компании Intel, заметил закономерность. Он наблюдал, как инженеры удваивали количество транзисторов на квадратном дюйме кремния каждые двенадцать месяцев. Это происходило как по часам. Размеры уменьшались. Плотность возрастала.
Эта тенденция подарила нам персональные компьютеры. Смартфоны. MP3-плееры. Без этих крошечных переключателей мы бы до сих пор щелкали механическими тумблерами и полагались на вакуумные лампы для выполнения базовых математических операций. Тенденция к уменьшению продолжалась десятилетиями. Но она не совсем успевает за первоначальным прогнозом Мура. Сегодня цикл удвоения занимает около 24 месяцев. Это медленнее. Но результат тот же. Мы упаковываем больше мощности в меньшие пространства.
Итак, насколько маленьким может стать транзистор? В 1947 году первое устройство было высотой более одной сотой метра. К 2010-м годам компания Intel производила микропроцессоры с транзисторами шириной всего 45 нанометров. Нанометр — это одна миллиардная часть метра. Масштаб трудно осознать.
Физические пределы и чипы будущего
Производители уже работают над следующим поколением. Чипы переходят на транзисторы шириной всего 32 нанометра. Но некоторые физики и инженеры бьют тревогу. Мы можем столкнуться с фундаментальными физическими ограничениями. Квантовые эффекты начинают мешать, когда объекты становятся настолько маленькими. Электроны туннелируют через барьеры, через которые не должны проходить. Тепло становится кошмаром.
История транзистора — это не только история инженерии. Это наша неустанная стремление делать вещи меньше. Быстрее. Эффективнее. Мы упираемся в стену. Эта стена — физический закон. Но мы продолжаем давить. Следующие несколько лет покажут, сможем ли мы пробиться сквозь нее или же мы достигли конца линии для кремния.
Анатомия транзистора
Чтобы понять, почему компьютеры упираются в предел, сначала нужно разобраться, что такое транзистор. Это не магия. Это переключатель. И не просто любой переключатель. Это переключатель, созданный из вещества, которое странно ведет себя под давлением.
Вещество в целом делится на три категории.
Проводники свободно пропускают электрический ток. Возьмите медь. В ней много свободных электронов, готовых к движению.
Диэлектрики полностью блокируют поток. Стекло. Керамика. Электроны заперты.
Затем есть полупроводники. Кремний находится посередине. У него есть некоторое пространство для электронов, но недостаточно для проводимости, как у металла. Он упрям. Ему нужен толчок.
Этот толчок — ключ. Изменяя условия, инженеры заставляют кремний переключаться между состояниями проводимости и изоляции. Это бинарное поведение — включено и выключено — является основой всех современных вычислений. Но чтобы заставить кремний вести себя нужным образом, требуется процесс, называемый легированием.
Легирование и подложка
Инженеры вводят в кремний определенные примеси, чтобы изменить его электрические свойства. Они начинают с базового материала, называемого подложкой.
В нашем примере мы рассматриваем n-тип транзистора. Это означает, что подложка имеет положительный заряд.
Чтобы это работало, вам нужны три конкретных вывода на поверхности этой подложки:
- Исток
- Сток
- Затвор
Затвор находится между истоком и стоком. Он действует как односторонний клапан для напряжения. Он позволяет электричеству проникать в кремний, но конструкция предотвращает его обратный ток.
Как? Затвор отделен от подложки тонким оксидным слоем. Этот изолятор предотвращает прямой проход электронов через вывод затвора.
В транзисторе n-типа исток и сток имеют отрицательный заряд. Когда вы прикладываете положительное напряжение к затвору, внутри кремния происходит физическое изменение.
Электронный канал
Приложите положительное напряжение к затвору.
Это притягивает свободные электроны в положительно заряженной подложке. Они скапливаются против оксидного слоя под затвором.
Это создает электронный канал.
Образуется мост проводимости между истоком и стоком.
Если затем подать положительное напряжение на сток, потечут электроны. Они перемещаются от истока, через этот вновь образованный канал, и выходят на сток.
Уберите напряжение с затвора? Притяжение исчезает. Электроны рассеиваются. Канал разрушается.
Ток прекращается.
Таким образом транзистор действует как переключатель.
- Напряжение на затворе = Включено
- Нет напряжения на затворе = Выключено
Компьютеры считывают это бинарное состояние как биты. Единица. Ноль. Единица. Ноль. Вся ваша цифровая жизнь построена на миллиардах этих крошечных физических переключателей, постоянно переключающихся туда и обратно.
Варианты p-типа
Мы использовали транзистор n-типа для ясности. Но существуют и транзисторы p-типа.
В схеме p-типа вы меняете полярность зарядов. Подложка легирована материалом с отрицательным зарядом. Выводы имеют положительный заряд. Логика остается той же, но физика носителей заряда меняется на противоположную.
Большинство современных чипов используют комбинацию обоих типов, известную как КМОП-технология (CMOS), для минимизации потребления энергии. Но прежде чем мы перейдем к архитектуре, нам нужно столкнуться с аппаратной частью.
Транзисторы в наномасштабе
Проблема не в концепции. Концепция работает. Проблема в размере.
По мере уменьшения размеров транзисторов для размещения большего их количества на чипе начинают проявляться квантовые эффекты. Электроны туннелируют через барьеры, которые они не должны преодолевать. Оксидный слой становится настолько тонким, что электроны просачиваются через него даже при выключенном затворе.
Это утечка убивает время автономной работы. Она генерирует тепло. И она создает ошибки.
Мы миниатюризируем транзисторы уже десятилетиями. Мы заканчиваем место для их дальнейшего уменьшения без нарушения законов физики.
Что произойдет, когда сам переключатель станет ненадежным?
Почему уменьшение транзисторов упирается в физический предел
Журналисты любят предсказывать смерть закона Мура. Каждый год кто-то публикует статью, в которой заявляет, что транзисторы достигли своего предела по размеру. Затем инженеры находят обходной путь. Транзистор уменьшается. Прогноз оказывается ошибочным. Мы находимся в цикле ложных тревог, отчасти потому, что писатели стали опасаться объявлять конец игры.
Но конец игры реален. Это вопрос не инженерного мастерства. Это вопрос физики.
Как только вы достигаете наноуровня, вы оставляете позади классическую физику. Вы входите в мир квантовой механики. Здесь материя и энергия подчиняются правилам, которые кажутся контринтуитивными. Вы не можете даже наблюдать квантовую систему, не изменив её поведение.
Если электроны могут проходить через затвор при любых обстоятельствах, контролировать их поток невозможно.
Самая большая проблема — туннелирование электронов. Представьте себе телепортацию. Когда барьер из материала становится чрезвычайно тонким — около одного нанометра, или ширины десяти атомов, — электроны могут проходить прямо сквозь него. Они не пробивают дыру. Они не пробивают насквозь. Электрон просто исчезает с одной стороны и появляется с другой.
Затворы предназначены для управления потоком электронов. Если электроны туннелируют через затвор, контроль теряется. Получаются «подтекающие» транзисторы. Процессор становится неэффективным. Он может вообще не функционировать.
Компании вроде Intel уже работают с транзисторами шириной около 32 нанометров. Оксидный слой становится опасно тонким. В прошлом инженеры всегда находили способ обойти эти препятствия. Они успевают за законом Мура. Но на этот раз они сталкиваются с фундаментальным законом природы.
Инженеры могут найти эффективный изолятор толщиной в один нанометр. Это возможно. Но даже в этом случае с традиционными транзисторами идти дальше почти некуда. За пределами наноуровня находится атомный масштаб. Здесь материалы имеют размер всего в несколько атомов. У вас заканчивается материал для работы.
Это не означает, что транзисторы исчезнут. Это означает, что экспоненциальный рост в разработке микропроцессоров замедлится. Он выйдет на плато. Улучшения в чистой вычислительной мощности не будут продолжаться с той же стремительной скоростью.
Но производители всё равно найдут способы повысить эффективность. Производительность вырастет, но не экспоненциально.
Есть ещё одна возможность. Производители микропроцессоров ищут альтернативы традиционным транзисторам. Некоторые уже пытаются использовать квантовые эффекты на наноуровне. Они превращают нано-лимоны в нано-лимонад.
Закон Мура может существовать ещё несколько лет. Но если оглянуться на десятилетия вперёд, журналисты делали такие же заявления. Инженеры, вероятно, воспринимают эти прогнозы как личный вызов. Они продолжат продвигаться вперёд. Но законы физики — это твёрдая стена, которую трудно пробить.
Маленькие упаковки
Intel Atom — это набор маленьких, но мощных процессоров, предназначенных для работы в смартфонах.
