Важко переоцінити, наскільки сильно наше сучасне життя залежить від пристрою, який розпочинався як простий інструмент для роботи зі звуком. До середини XX століття електроніка була важкою, гарячою та ненадійною. Суспільство покладалося на вакуумні лампи у всьому: від радіоприймачів до перших комп’ютерів. Вони були тендітними. Часто виходили з ладу. Виділяли стільки тепла, що деформували обладнання. Потім з’явився транзистор.
Розроблений в 1947 інженерами з Bell Laboratories, початкова мета була скромною. Їм був потрібен спосіб посилення звуку в телефонних лініях. Вакуумна лампа була стандартом, але вона була громіздкою. Новий пристрій замінив її твердотілим аналогом. Воно було меншим. Воно виділяло менше тепла. Воно було надійніше.
Першою версією став “точково-контактний транзистор”. Його висота становила півдюйма. Приблизно 1,27 сантиметра. За сучасними стандартами він не відрізнявся високою потужністю, але фізики відразу побачили його потенціал. Інженери почали встановлювати ці крихітні перемикачі на радіоприймачі та іншу електроніку. Вони навчилися зменшувати їхні розміри. Вони навчилися підвищувати їхню ефективність.
Цей безперервний мініатюрний розвиток спричинив значний стрибок у 1958 році. Інженери підключили два транзистори до єдиного кристала кремнію. Вони створили першу інтегральну схему. Це став міст до мікропроцесора. Якщо комп’ютер це тіло, то мікропроцесор – його мозок. Він опрацьовує дані. Він виконує обчислення. Без інтегральної схеми цей мозок ніколи б не сформувався.
Закон Мура і кремнієва криза
До 1960-х років у темпів інновацій виникло ім’я. Гордон Мур, вчений у галузі комп’ютерних наук та співзасновник компанії Intel, помітив закономірність. Він спостерігав, як інженери подвоювали кількість транзисторів на квадратному дюймі кремнію кожні дванадцять місяців. Це відбувалося як за годинником. Розміри зменшувалися. Щільність зростала.
Ця тенденція подарувала нам персональні комп’ютери. Смартфони. MP3-плеєри. Без цих крихітних перемикачів ми досі клацали б механічними тумблерами і покладалися на вакуумні лампи для виконання базових математичних операцій. Тенденція до зменшення тривала десятиліттями. Але вона не зовсім встигає за первісним прогнозом Мура. Сьогодні цикл подвоєння займає близько 24 місяців. Це повільніше. Але результат той самий. Ми упаковуємо більше потужності у менші простори.
Отже, як маленьким може стати транзистор? У 1947 році перший пристрій був висотою більше однієї сотої метра. До 2010-х років компанія Intel виробляла мікропроцесори з транзисторами завширшки всього 45 нанометрів. Нанометр – це одна мільярдна частина метра. Масштаб важко зрозуміти.
Фізичні межі та чіпи майбутнього
Виробники вже працюють над наступним поколінням. Чіпи переходять на транзистори шириною всього 32 нанометри. Але деякі фізики та інженери б’ють на сполох. Ми можемо зіткнутися із фундаментальними фізичними обмеженнями. Квантові ефекти починають заважати, коли об’єкти стають настільки невеликими. Електрони тунелюють через бар’єри, якими не повинні проходити. Тепло стає жахом.
Історія транзистора — це історія інженерії. Це наше невтомне прагнення робити речі менше. Швидше. Ефективніше. Ми впираємося у стіну. Ця стіна – фізичний закон. Але ми продовжуємо тиснути. Наступні кілька років покажуть, чи зможемо ми пробитися крізь неї чи досягли кінця лінії для кремнію.
Анатомія транзистора
Щоб зрозуміти, чому комп’ютери упираються в межу, спочатку потрібно розібратися, що таке транзистор. Не магія. Це перемикач. І не просто будь-який перемикач. Це перемикач, створений із речовини, яка дивно поводиться під тиском.
Речовина загалом ділиться на три категорії.
Провідники вільно пропускають електричний струм. Візьміть мідь. У ній багато вільних електронів, які готові до руху.
Діелектрики повністю блокують потік. Скло. Кераміка. Електрони замкнені.
Потім є напівпровідники. Кремній перебуває посередині. Він має деякий простір для електронів, але недостатньо для провідності, як у металу. Він упертий. Йому потрібен поштовх.
Цей поштовх — ключ. Змінюючи умови, інженери змушують кремній перемикатися між станами провідності та ізоляції. Ця бінарна поведінка – включена та вимкнена – є основою всіх сучасних обчислень. Але щоб змусити кремній поводитися потрібним чином, потрібен процес, званий легуванням.
Легування та підкладка
Інженери вводять у кремній певні домішки, щоб змінити його електричні властивості. Вони починають із базового матеріалу, званого підкладкою.
У прикладі ми розглядаємо n-тип транзистора. Це означає, що підкладка має позитивний заряд.
Щоб це працювало, вам потрібні три конкретні висновки на поверхні цієї підкладки:
- Виток
- Сток
- Затвор
Затвор знаходиться між витоком та стоком. Він діє як односторонній клапан для напруги. Він дозволяє електриці проникати в кремній, але конструкція запобігає його зворотному струму.
Як? Затвор відокремлений від підкладки тонким оксидним шаром. Цей ізолятор запобігає прямому проходу електронів через виведення затвора.
У транзисторі n-типу витік та стік мають негативний заряд. Коли ви прикладаєте позитивну напругу до затвора, всередині кремнію відбувається фізична зміна.
Електронний канал
Додайте позитивну напругу до затвора.
Це притягує вільні електрони у позитивно зарядженій підкладці. Вони накопичуються проти оксидного шару під затвором.
Це створює електронний канал.
Утворюється міст провідності між витоком та стоком.
Якщо потім подати позитивну напругу на стік, потечуть електрони. Вони переміщаються від початку, через цей новостворений канал, і виходять на стік.
Заберіть напругу із затвора? Тяжіння зникає. Електрони розсіюються. Канал руйнується.
Струм припиняється.
Таким чином, транзистор діє як перемикач.
- Напруга на затворі = Увімкнено
- Немає напруги на затворі = Вимкнено
Комп’ютери зчитують цей бінарний стан, як біти. Одиниця. Нуль. Одиниця. Нуль. Все ваше цифрове життя побудовано на мільярдах цих крихітних фізичних перемикачів, які постійно перемикаються туди й назад.
Варіанти p-типу
Ми використовували транзистор n-типу для ясності. Але існують і транзистори p-типу.
У схемі p-типу ви змінюєте полярність зарядів. Підкладка легована матеріалом із негативним зарядом. Висновки мають позитивний заряд. Логіка залишається тією ж, але фізика носіїв заряду змінюється протилежну.
Більшість сучасних чіпів використовують комбінацію обох типів, відому як CMOS-технологія (CMOS), для мінімізації споживання енергії. Але перш ніж ми перейдемо до архітектури, нам потрібно мати справу з апаратною частиною.
Транзистори в наномасштабі
Проблема не в концепції. Концепція працює. Проблема у розмірі.
У міру зменшення розмірів транзисторів для розміщення більшої кількості на чіпі починають проявлятися квантові ефекти. Електрони тунелюють через бар’єри, які вони повинні долати. Оксидний шар стає настільки тонким, що електрони просочуються через нього навіть при вимкненому затворі.
Цей витік убиває час автономної роботи. Вона генерує тепло. І вона створює помилки.
Ми зменшуємо транзистори вже десятиліттями. Ми закінчуємо місце для їхнього подальшого зменшення без порушення законів фізики.
Що станеться, коли сам перемикач стане ненадійним?
Чому зменшення транзисторів упирається у фізичну межу
Журналісти люблять передбачати смерть закону Мура. Щороку хтось публікує статтю, в якій заявляє, що транзистори досягли своєї межі за розміром. Потім інженери знаходять обхідний шлях. Транзистор зменшується. Прогноз виявляється хибним. Ми знаходимося в циклі хибних тривог, частково тому, що письменники почали побоюватися оголошувати кінець гри.
Але кінець гри є реальним. Це питання не інженерної майстерності. Це питання фізики.
Як тільки ви досягаєте нанорівня, ви залишаєте позаду класичну фізику. Ви входите у світ квантової механіки. Тут матерія та енергія підкоряються правилам, які здаються контрінтуїтивними. Ви навіть не можете спостерігати квантову систему, не змінивши її поведінку.
Якщо електрони можуть проходити через затвор за будь-яких обставин, контролювати їхній потік неможливо.
Найбільша проблема – “тунелювання електронів”. Уявіть телепортацію. Коли бар’єр із матеріалу стає надзвичайно тонким — близько одного нанометра, або ширини десяти атомів, електрони можуть проходити крізь нього. Вони не пробивають дірку. Вони не пробивають наскрізь. Електрон просто зникає з одного боку та з’являється з іншого.
Затвори призначені для керування потоком електронів. Якщо електрони тунелюють через затвор, контроль втрачається. Виходять транзистори, що «підтікають». Процесор стає неефективним. Він може взагалі функціонувати.
Компанії типу Intel вже працюють з транзисторами шириною близько 32 нанометрів. Оксидний шар стає небезпечно тонким. У минулому інженери завжди знаходили спосіб оминути ці перешкоди. Вони встигають за законом Мура. Але цього разу вони стикаються із фундаментальним законом природи.
Інженери можуть знайти ефективний ізолятор завтовшки один нанометр. Це можливо. Але навіть у цьому випадку з традиційними транзисторами йти далі майже нікуди. За межами нанорівня знаходиться атомний масштаб. Тут матеріали мають розмір лише кілька атомів. У вас закінчується матеріал для роботи.
Не означає, що транзистори зникнуть. Це означає, що експоненційне зростання розробки мікропроцесорів сповільниться. Він вийде на плато. Поліпшення в чистій обчислювальній потужності не продовжуватимуться з тією ж швидкою швидкістю.
Але виробники все одно знайдуть способи підвищити ефективність. Продуктивність зросте, але не експонентно.
Є ще одна нагода. Виробники мікропроцесорів шукають альтернативи традиційним транзисторам. Деякі вже намагаються використати квантові ефекти на нанорівні. Вони перетворюють нано-лимони на нано-лимонад.
Закон Мура може існувати ще кілька років. Але якщо озирнутися на десятиліття вперед, журналісти робили такі заяви. Інженери, мабуть, сприймають ці прогнози як особистий виклик. Вони продовжуватимуть просуватися вперед. Але закони фізики це тверда стіна, яку важко пробити.
Маленькі упаковки
Intel Atom – це набір маленьких, але потужних процесорів, призначених для роботи у смартфонах.
