Vďaka novej technológii spoločnosti veria, že prvé ultramalé tranzistory vyrobia do roku 2025.
Prvá procesorová platňa s 2 nanometrovými polovodičovými tranzistormi. Zdroj: IMB
Počítače riadia našu spoločnosť. Procesorové čipy, ich hlavná výpočtová jednotka, už dávno nie sú len doménou osobných počítačov alebo vedeckých zariadení. Dnes ich má vo vrecku každý (mobilný telefón), niekoľko ich je pravdepodobne vo vašom aute, ale aj v práčke, chladničke či dokonca v kávovare. Ak totiž od zariadenia chceme čokoľvek viac než len mechanický, analógový výkon jeho funkcie, bez mozgu v podobe procesora sa už nezaobíde.
Jazyk, ktorým rozprávame s počítačmi
Procesor je hlavná elektronická súčiastka v počítači. Vykonáva inštrukcie počítačového programu tak, že realizuje základné aritmetické, logické, kontrolné a vstupné/výstupné operácie špecifikované inštrukciami. Mágia jeho práce sa však ukrýva ešte o úroveň nižšie, v polovodičových tranzistoroch, z ktorých je zostavený.
Počítač pracuje s informáciami úplne inak ako ľudský mozog. Počítače nemajú biologické štruktúry, ktoré sa v priebehu miliárd rokov funkčne vyvinuli do podoby, ktorá by im poskytovala kognitívne funkcie a umožňovala ich spracovať.
Niekedy v polovici minulého storočia priekopníci výpočtovej techniky prišli na to, že stroju sa je možné predsa len prihovoriť jazykom, ktorému porozumie – jazykom elektrického napätia. Jednoducho povedané, počítač dokáže zaznamenať binárnosť v rozdiele elektrického napätia. Jednotka vyjadruje v jeho jazyku stav, keď je súčiastka pod elektrickým prúdom, a nula stav, keď je bez elektrického prúdu.
Ak má výpočtové zariadenie fungovať správne, nie je možné ho stále pripájať a odpájať od zdroja napätia. A práve tu vstupujú na scénu polovodičové tranzistory. Kým počítač ako taký zostáva pod prúdom, tranzistory, ktoré spoločne tvoria procesor, občas pod prúdom sú a občas nie. To je jediná úloha každého tranzistora. Mať alebo nemať elektrické napätie. A práve tento dvojitý stav je to jediné, čo počítač potrebuje k tomu, aby nám porozumel a aby nám slúžil.
Slovník jednotiek a núl
Fungovanie si môžeme predstaviť ako veľmi komplexný Morseov kód, v ktorom naraz blikajú, svietia a zhasínajú miliardy svetielok na miliardách miest súčasne. V priebehu ostatných desaťročí strávili milióny programátorov celé roky tým, že počítačom neprestajne písali takzvané inštrukčné súpravy, programy, ktoré počítaču slúžia ako slovník všemožných kombinácií núl a jednotiek.
Vďaka nim počítač rozozná, čo spoločná aktivita konkrétnych tranzistorov znamená. Každá mysliteľná informácia má v binárnom jazyku svoj kód. Napríklad čierna farba je 000, biela je 111. Ak procesor zaznamená na troch tranzistoroch stav bez napätia, zobrazí vám na obrazovke čierny bod. Ak, naopak, budú všetky tri tranzistory pod napätím, vaša obrazovka sa sfarbí nabielo. Hello je v binárnom jazyku 01001000 01100101 01101100 01101100 01101111. Rôzne slová a texty si môžete vyskúšať aj sami na stránke: https://www.rapidtables.com/convert/number/ascii-to-binary.html.
Súčasný 7-nanometrový kremíkový tranzistor pod elektrónovým mikroskopom. Moderné procesory ich obsahujú miliardy. Zdroj: IBM
Kremík v tranzistoroch
Ak použijeme trochu fantázie, je jednoduché predstaviť si, že pri dostatočnom počte tranzistorov je rozsah informácie, s ktorou počítač dokáže naraz pracovať, prakticky nekonečný. Ďalšou obrovskou výhodou takejto technológie je jej rýchlosť, počítač vníma svet rýchlosťou plynutia elektrického prúdu v polovodiči. Najčastejšie sa na výrobu polovodičov používa kremík. Aj preto sa známe centrum digitálnych technológií v Kalifornii volá Silicon Valley (v preklade Kremíkové údolie).
Žijeme v období, keď je fyzická podoba tranzistorov minulosťou. Dnes procesory vznikajú celkom inak.
Pripravený kremíkový plátok je podrobený oxidácii, ktorá ho premení na oxid kremičitý. Z tohto materiálu vznikne základ povrchu tranzistora. Následne sa nanesie vrstva fotosenzitívneho materiálu a prebehne proces litografie pôsobením ultrafialového žiarenia. Chemickým kúpeľom sa odstraňuje zvyšok fotocitlivého materiálu, kým nezostane len platňa z oxidu kremičitého, na ktorej je prítomný dizajnový vzor procesora. Tento proces sa opakuje a vrstvy pribúdajú, kým nie je procesor hotový. V určitej fáze je ešte potrebné pridať takzvané nečistoty, ióny látok, ktoré zabezpečia vodivosť čipu. Napokon je zapečatený poslednou vrstvou, ktorá má hrúbku len troch atómov kremíka.
Ide o taký náročný technologický proces, že zatiaľ vyrábajú procesory na vrcholovej úrovni sériovo dve až tri spoločnosti na Zemi. Aj preto sa občas nadnesene hovorí, že budúca svetová vojna bude o mikročipy a svet s obavami hľadí k Taiwanu, kde sídlia kľúčové výrobné kapacity pre celú planétu.
Prvá procesorová platňa s 2-nanometrovými polovodičovými tranzistormi. Zdroj: IBM
Extrémne malá veľkosť
Dnes najpokročilejšie a zároveň komerčne dostupné procesory pracujú s tranzistormi vo veľkosti 7 nanometrov a na ploche s veľkosťou približne 37 × 37 milimetrov ich je umiestnených 4,2 miliardy.
Nedávno spoločnosti TSMC a IMB predstavili technológiu, o ktorej veria, že im do roku 2025 umožní zmenšiť veľkosť jedného tranzistora na 2 nanometre, čo je veľkosť menšia, ako je priemer ľudského chromozómu. Ak sa im to podarí, dôjde k ďalšiemu skokovému nárastu výkonnosti moderných počítačov. Nové procesory by totiž mali byť schopné poňať na ploche 15 × 15 milimetrov až 50 miliárd polovodičových tranzistorov.
Zdá sa, že na obzore je pokorenie ďalšej méty, o ktorej sme si ešte pred niekoľkými rokmi mysleli, že je na hranici fyzikálnych zákonov.
Zdroj: Showmetech, Anandtech1, Anandtech2
