STEM

Jakie są granice miniaturyzacji?

Writer

Od redakcji:

Artykuł ukazał się pierwotnie na łamach “Niezbędnika inteligenta”, dodatku do tygodnika “Polityka”. Jego autorem jest Adam Marek, Software Architect, Intel Technology Poland.

Czytaj też:
“Wielka Encyklopedia Intela: Czy procesory powstają z piasku?”
“Wielka Encyklopedia Intela: Jak działa Internet?”

“Wielka Encyklopedia Intela: Czy komputery będą kiedyś w naszych głowach?

***

Prawo Moore’a

W 1965 roku Gordon Moore, jeden z założycieli firmy Intel zauważył trend, który znamy dziś jako prawo Moore’a. W opublikowanym wówczas artykule poczynił odważne przewidywania dotyczące tempa miniaturyzacji elektronicznych obwodów zintegrowanych (procesorów). Obserwując ówczesne postępy w liczbie tranzystorów upakowanych na tej samej powierzchni, zauważył, że ich liczba  podwaja się z każdym rokiem. W momencie publikacji niewiele osób wierzyło, że wykazaną prawidłowość uda się utrzymać dłużej niż 10 lat.

Gordon Moore w czasach, gdy sformułował swoje prawo
Gordon Moore w czasach, gdy sformułował swoje prawo…

Dlaczego twierdzenie to wzbudziło tyle kontrowersji? Aby lepiej zrozumieć, co oznacza przewidywany poziom miniaturyzacji, wyobraźmy sobie hipotetyczny układ elektroniczny, na którym w 1965 roku udałoby się umieścić 8 tranzystorów. Według przewidywań Moore’a, już po 5 latach (czyli w roku 1970), ten sam układ pomieściłby aż 256 takich elementów, natomiast po 10 latach na tej samej powierzchni zmieściłyby się 8192 elementy! Brzmi niewiarygodnie, prawda?

Współcześni przypisywali ogromny postęp miniaturyzacji obserwowany do roku 1965 serii przełomowych odkryć charakterystycznych dla każdej raczkującej dziedziny wiedzy – zjawisko, które byłoby niezwykle trudne, lub wręcz niemożliwe do utrzymania w przypadku dojrzałej technologii, która „skonsumowała” już większość swych przełomowych osiągnięć.

Po półwieczu trend nadal obowiązuje

...i w czasach współczesnych
…i w chwili obecnej

Początkowo wydawało się, że sceptycy mieli rację. Moore już w latach 70. zrewidował swoje prawo, które od tego czasu głosiło, iż gęstość upakowania elementów będzie się podwajała co dwa lata, a nie – jak wcześniej twierdził – co rok. Adwersarze Moore’a zacierali ręce i głosili jego rychłą kapitulację. Powód to piętrzące się problemy, m.in. w opracowaniu technologii przygotowywania materiałów o odpowiednio wysokiej stałej dielektrycznej (niezwykle istotnej zważywszy na postępującą miniaturyzację tranzystorów) i zwiększenia szybkości propagacji sygnału w ścieżkach łączących poszczególne elementy chipa. Problemy te, jako wynikające z fundamentalnych praw fizyki, miały stanowić ostateczną i nieprzekraczalną barierę dla prawa Moore’a.

Obecnie, w roku 2014, czyli po blisko 50 latach od opublikowania słynnego artykułu Gordona Moore’a w “Electronics Magazine”, trend wciąż obowiązuje, co daje nadzieję na uzyskanie wiarygodnej odpowiedzi na zadane w tytule pytanie.

Ile procesorów zmieści się na główce szpilki?

screen_shot_2014-04-24_at_3.02.49_pm

Najbardziej zaawansowane mikroprocesory budowane są aktualnie przez Intela, a wykonuje się je w technologii 14 nanometrów (na rynek trafią jeszcze w tym roku). Pozwala ona umieścić miliony elementów na powierzchni odpowiadającej główce szpilki. Aby osiągnąć tak wysoki poziom zaawansowania technologicznego niezbędne było pokonanie szeregu barier, które początkowo wydawały się równie „nieprzekraczalne”.

Fundamentalne ograniczenia litografii optycznej (czyli procesu, za pomocą którego „rysuje” się na powierzchni krzemu zarys przyszłych tranzystorów), gdzie rozmiar pojedynczego elementu limitowany jest przez długość fali zastosowanego światła, pokonano wprowadzając nowatorskie układy soczewek i masek. Dzięki temu współczesna litografia ultrafioletowa potrafi skutecznie odwzorowywać szczegóły o wielkości kilkunastu nanometrów za pomocą fal światła długości rzędu setek nanometrów.

Rząd wielkości: pojedynczy atom

Intel-Itanium-Processor-9500_11

Problemy z utrzymaniem odpowiednich parametrów elektrycznych płaskich bramek (które są jednymi z kluczowych elementów składowych tranzystora) w układach o szerokości zaledwie pojedynczych warstw atomowych rozwiązano, dodając do nich trzeci wymiar (wysokość), co pozwala zwiększać powierzchnię bramek bez zmniejszania gęstości upakowania tranzystorów.

Kiedy zatem doczekamy się mikroprocesorów wielkości kilku nanometrów? Zgodnie z prawem Moore’a może się to wydarzyć za 20 do 30 lat. Jak to osiągniemy? Z pewnością inaczej, niż robiliśmy to dotychczas. Mówiąc o kilku nanometrach, zbliżamy się do rzędu wielkości odpowiadającej pojedynczym atomom. O ile rozmiar pojedynczych tranzystorów już teraz zbliża się do tej skali, to tworzenie kompletnych, funkcjonalnych mikroprocesorów (składających się z tysięcy tranzystorów) może być problematyczne. W objętości kilku nanometrów zmieści się po prostu zbyt mało atomów, aby móc zbudować klasyczny mikroprocesor.

Nieustająca inspiracja

intelbroadwell

Czyżby kolejne fundamentalne ograniczenie? Wygląda na to, że tak, jednak dotychczasowe doświadczenia ze stosowania prawa Moore’a pozwalają mieć nadzieję, że bariera ta zostanie pokonana szybciej, niż oczekujemy. Być może rozwiązaniem będą komputery kwantowe, gdzie tranzystory zastąpimy układami fotonów komunikujących się dzięki stanowi splątania kwantowego. Być może drogę dalszego rozwoju otworzą inne, nieodkryte jeszcze, cechy mechaniki kwantowej.

Na koniec refleksja. Przemysł elektroniczny od dłuższego czasu korzysta z prawa Moore’a przy kreowaniu długoterminowych planów rozwoju. W tym sensie wyznacza ono nie tylko ograniczenie, ale również oczekiwania co do tempa rozwoju technologii. Rodzi to pytanie, gdzie bylibyśmy dziś, gdyby Gordon Moore nie sformułował swojego prawa, które od kilkudziesięciu lat motywuje naukowców i inżynierów do niesamowitego postępu technologicznego?

Udostępnij ten artykuł

Podobne tematy

Nauka

Przeczytaj w następnej kolejności

Read Full Story