Procesory, tranzystory - prawo Moore'a

Procesory, tranzystory - prawo Moore'a
17.12.2007 10:27
Procesory, tranzystory - prawo Moore'a
Źródło zdjęć: © Intel

Jeśli chodzi o wspieranie innowacyjności i rozwoju
technologii, żaden wynalazek nie okazał się równie ważny, jak
tranzystor stworzony sześćdziesiąt lat temu w laboratoriach Bella.
Gdyby nie tranzystor, nie powstałaby większość znanych nam dziś
urządzeń elektronicznych

Jeśli chodzi o wspieranie innowacyjności i rozwoju technologii, żaden wynalazek nie okazał się równie ważny, jak tranzystor stworzony sześćdziesiąt lat temu w laboratoriach Bella. Gdyby nie tranzystor, nie powstałaby większość znanych nam dziś urządzeń elektronicznych.

Tranzystory to główne składniki mikroprocesorów, które odgrywają kluczową rolę w wielu używanych, na co dzień urządzeniach, takich jak telewizory, samochody, radia, sprzęt medyczny, urządzenia AGD, komputery, a nawet promy kosmiczne.

Pierwsze radio tranzystorowe zawierało cztery tranzystory. Pierwszy mikroprocesor Intela, czyli „mózg” komputera, zawierał tylko 2300 tranzystorów, a najnowszy chip wytwarzany w 45-nanometrowym (nm)procesie technologicznym i wprowadzony do sprzedaży w listopadzie 2007 roku zawiera 820 milionów tranzystorów. Tranzystor — „dzielny, mały parowozik” — przypomina miniaturowy wyłącznik, który umożliwia przetwarzanie informacji w komputerze i zwiastuje nadejście ery cyfrowej. A cała historia zaczęła się 60 lat temu

W czym kryje się sekret jego sukcesu? Z każdą nową generacją staje się coraz mniejszy, szybszy i bardziej energooszczędny. Inżynierowie Intela niedawno zmodyfikowali krzemową formułę i proces produkcyjny, aby wprowadzić na rynek innowacyjne procesory oparte na mikroarchitekturze Intel®. Core™. Zawierają one obwody o rozmiarach rzędu 45 nm (tak małe, że 300 nowych tranzystorów zmieściłoby się w jednej czerwonej krwince) oraz tranzystory z metalową bramką o wysokiej stałej dielektrycznej (high-k), które zapewniają przełomową szybkość i energooszczędność.

Co dalej? Intel nadal przesuwa granice technologii, aby opracować produkty, które zmienią nasze życie, pracę, rozrywkę i komunikację w sposób, który teraz możemy sobie tylko wyobrażać.

Włączony-wyłączony
Wynalazek tranzystora w dwóch ostatnich miesiącach 194. roku prawdopodobnie był jednym z najważniejszych w dwudziestym wieku. Nie można przecenić wpływu, jaki wywarł na codzienne życie w poprzednim i bieżącym stuleciu. Początkowo tranzystor był używany do wzmacniania sygnałów dźwiękowych. Z tej przyczyny pierwsze przenośne odbiorniki bezprzewodowe z lat pięćdziesiątych nazywano radiami tranzystorowymi. Ale na dłuższą metę najważniejsze okazało się zastosowanie tranzystora jako przełącznika w układach scalonych popularnie zwanych chipami.

Obecnie setki milionów takich mini przełączników znajduje się w chipach, które sterują używanymi, na co dzień urządzeniami elektronicznymi: komputerami PC, laptopami i serwerami, telefonami komórkowymi, kuchenkami mikrofalowymi, samochodami —. można by wymieniać w nieskończoność. Pierwsze radio tranzystorowe było wyposażone w cztery tranzystory, a nowy chip Intela wprowadzony na rynek 12 listopada 2007 roku zawiera ich 820 milionów. Żaden procesor nie działałby bez tranzystorów, a żaden komputer bez procesora, z czego wynika, że tranzystor odegrał kluczową rolę w postępie technologicznym ostatnich sześćdziesięciu lat.

Co ciekawe, tranzystor zasadniczo robi niewiele więcej niż zwykły wyłącznik światła: włącza lub wyłącza przepływ prądu. „Włączoną” pozycję tranzystora oznacza się cyfrą 1. „wyłączoną” — cyfrą 0. Duża liczba tranzystorów generuje jedynki i zera, których komputery używają do wykonywania obliczeń, przetwarzania tekstu, odtwarzania płyt DVD i wyświetlania obrazów.

Wynalezienie tranzystora przypisuje się trzem kolegom z laboratoriów Bella: Jonowi Bardeenowi, Walterowi Brattainowi i Williamowi Shockleyowi, którzy za swoje odkrycie otrzymali w 195. roku Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Nazwę „tranzystor” wymyślił John R. Pierce, badacz zatrudniony w laboratoriach Bella. W maju 1948 wygrał on wewnętrzne głosowanie na najbardziej chwytliwą nazwę wynalazku, który wówczas liczył dopiero sześć czy siedem miesięcy. Powstała ona z połączenia słów „transkonduktancja” (przeniesienie ładunku) oraz „warystor” (rezystor o zmiennej oporności).

Rock and roll
W grudniu 194. roku Bardeen i Brattain zbudowali pierwszy działający tranzystor ostrzowy, w którym prąd przepływał po powierzchni półprzewodnika. Tranzystor wzmacniał przechodzący przez niego sygnał elektryczny. Początkowo tranzystorów używano jako zamienników większych i nieporęcznych lamp próżniowych, które w tamtych czasach były powszechnie stosowane do wzmacniania sygnałów.

Aby jak najbardziej przyspieszyć rozwój tranzystora, laboratoria Bella zaczęły licencjonować technologię tranzystorową. Licencje zakupiło 26 firm, w tym IBM i General Electric, płacąc po 2. 000 dolarów. Jeśli jednak nowa technologia miała odnieść sukces rynkowy, musiała przyciągnąć uwagę mas. Stało się tak dzięki radiu tranzystorowemu. Pierwszy model wprowadzony do sprzedaży w październiku 1954 roku zawierał cztery tranzystory. Przenośny odbiornik pozwalał słuchać muzyki i informacji w dowolnym miejscu, także poza zasięgiem słuchu dorosłych. I tak radio tranzystorowe zapoczątkowało nową muzyczną rewolucję — rock and rolla.

Układ scalony
Pod koniec lat pięćdziesiątych tranzystory trafiły do odbiorników radiowych, telefonów i komputerów, ale choć były znacznie mniejsze od lamp próżniowych, to nadal zbyt duże dla urządzeń elektronicznych nowej generacji. Potrzebny był kolejny wynalazek, który pozwoliłby ujarzmić binarną moc obliczeniową pojedynczych tranzystorów, a jednocześnie umożliwił tanią, masową produkcję.

W 195. roku Jack Kilby (z firmy Texas Instruments) i Robert Noyce (z firmy Fairchild Semiconductor, późniejszy współzałożyciel Intela) odkryli, jak umieścić wiele tranzystorów w pojedynczym układzie scalonym (chipie). Był to ogromny krok naprzód w porównaniu z ręcznym montażem pojedynczych elementów.

Chipy miały dwie zalety: niższy koszt i wyższą wydajność. Obie wynikały z wykładniczej miniaturyzacji, która znacznie zwiększyła dynamikę procesu produkcyjnego. Gordon Moore, który w 196. roku założył wraz z Noyce’em firmę Intel, w artykule prasowym z 1965 roku sformułował prognozę znaną dziś jako „prawo Moore’a”. Przewidywał, że liczba tranzystorów w układzie scalonym będzie podwajać się, co dwa lata, co z kolei przyniesie wzrost mocy obliczeniowej. Liczne komponenty gęsto upakowane na niewielkiej powierzchni stały się czynnikiem decydującym o sukcesie układu scalonego.

Producenci chipów zdołali utrzymać to wykładnicze tempo wzrostu przez ponad 4. lat. Pierwszy mikroprocesor Intela, układ 4004 wyprodukowany w 1971 roku, zawierał 2300 tranzystorów. W 1989 roku chip i486 zawierał już 1 200 000 tranzystorów, a w 2000 roku procesor Pentium osiągnął liczbę 42 milionów. Najnowszy 45-nanometrowy chip Intela zawiera 820 milionów tranzystorów.

Flirt z atomami
Wielokrotnie obwieszczano rychły upadek prawa Moore’a. Z definicji żaden proces wykładniczy nie może trwać wiecznie —. nawet, jeśli producenci chipów zawsze znajdują jakiś sposób, żeby go przedłużyć. We wrześniu zeszłego roku Gordon Moore stwierdził, że jego prawo pozostanie w mocy jeszcze przynajmniej przez dziesięć do piętnastu lat, kiedy to pojawią się nowe, fundamentalne ograniczenia dla dalszej miniaturyzacji. Ale przez długi czas wyglądało na to, że najsławniejsze prawo komputerowego świata przestanie obowiązywać już na początku XXI wieku.

Aby utrzymać wykładniczy wzrost dyktowany przez prawo Moore’a, trzeba zmniejszać tranzystory o połowę mniej więcej, co 2. miesiące. W tej bitwie o miniaturyzację osiągnięto limit jednej z kluczowych części tranzystora: warstwy dwutlenku krzemu (SiO2) działającej jako izolator między bramką a kanałem, którym płynie prąd, kiedy tranzystor jest włączony. W każdej nowej generacji chipów warstwa ta stawała się coraz cieńsza, aż dwie generacje temu osiągnęła grubość 1,2 nm , czyli 5 atomów. Inżynierowie Intela po prostu nie mogli pozbyć się choćby jednego kolejnego atomu.

W miarę kurczenia się warstwy izolacyjnej wzrastał upływ prądu. Przypominało to cieknący kran: warstwa izolacyjna zaczęła przepuszczać prąd do wnętrza tranzystora. Zmieniało to charakterystykę tranzystora i prowadziło do rozpraszania coraz większej ilości energii. W rezultacie chipy pobierały coraz więcej prądu i generowały coraz więcej ciepła.

Fundamentalna bariera
Przeciekający tranzystor stanowił trudne wyzwanie dla branży półprzewodnikowej: bez istotnego przełomu producenci stanęliby w obliczu zapowiadanego od dawna fundamentalnego limitu. Oznaczałoby to nie tylko koniec prawa Moore’a, ale również nagłe zatrzymanie trwającej od kilku dziesięcioleci cyfrowej rewolucji. Chipy komputerowe, które co 2. miesiące stawały się dwa razy wydajniejsze, odeszłyby w przeszłość.

Rozwiązaniem kryzysu okazało się pogrubienie warstwy izolacyjnej. Wymagało to wytworzenia warstwy z innego materiału —. zawierającego dodatkowe atomy. W styczniu 2007 roku Intel ogłosił, że po raz pierwszy od czterdziestu lat warstwa izolacyjna nie będzie zrobiona z dwutlenku krzemu, lecz z hafnu, srebrnoszarego metalu, który ma lepsze właściwości elektryczne i dziesięciokrotnie zmniejsza upływ prądu. Sam Gordon Moore nazwał to „najważniejszą zmianą w technologii tranzystorowej od końca lat sześćdziesiątych”.

Jednak ten przełom stanowił tylko połowę rozwiązania. Nowy materiał okazał się niekompatybilny z inną ważną częścią tranzystora: bramką. Co gorsza, pierwsze tranzystory wykonane przy użyciu nowego materiału izolacyjnego były mniej wydajne od tradycyjnych. Aby rozwiązać ten problem, zastosowano nowy materiał również w bramce: unikatową, zastrzeżoną kombinację metali, która jest pilnie strzeżoną tajemnicą Intela.

  1. listopada 2007 roku Intel wprowadził do sprzedaży nową generację chipów, które używają nowych materiałów i są wytwarzane w technologii 45-nanometrowej. W porównaniu z poprzednim procesem 65 nm Intel zdołał niemal podwoić liczbę tranzystorów mieszczących się na tej samej powierzchni. Dzięki temu firma mogła wybierać między zwiększeniem łącznej liczby tranzystorów a produkowaniem mniejszych chipów. Ponieważ tranzystory 45 nm są mniejsze od obwodów poprzedniej generacji, ich włączanie i wyłączanie zużywa nawet o 30 procent mniej prądu. W rezultacie chipy nowej generacji nie tylko ustanawiają rekordy wydajności, ale również reprezentują przełom w oszczędności energii.

W ciągu kilku ostatnich dekad tranzystory i chipy oferowały coraz więcej mocy obliczeniowej za coraz mniejszą cenę. Okazało się to ważnym impulsem do rozwoju i automatyzacji światowej gospodarki. Ale przed chipami i komputerami nadal jest daleka droga. Z biegiem lat komputer stał się doskonałym wykonawcą poleceń wydawanych przez ludzi. Drukuje listy, wysyła wiadomości e-mail, oblicza dane w arkuszach kalkulacyjnych i odtwarza filmy. W przyszłości może jednak stać się doradcą: będzie uczył się naszych zachowań i odpowiednio do nich adaptował. Pierwsze próbne kroki w tym kierunku można zaobserwować w witrynach WWW skupionych na kliencie, takich jak Amazon i iTunes. Sugerują one kupującym dodatkowe artykuły na podstawie historii ich wcześniejszych zakupów.

Wyższa moc przetwarzania będąca rezultatem prawa Moore’a pozwala również efektywniej rozwiązywać trapiące ludzkość problemy, takie jak zmiany klimatu, choroby (dziedziczne), opieka zdrowotna, rozwikływanie tajemnic genetyki. Współczesne metody i tempo badań nad takimi problemami jeszcze pięć lat temu byłyby nie do pomyślenia. Te zastosowania procesorów zmieniają i ratują życie. Im większa moc obliczeniowa komputerów i chipów, tym większe postępy w tych kluczowych dziedzinach badań. Kolejna dekada prawa Moore’a z pewnością byłaby bardzo pożądana.

Oceń jakość naszego artykułuTwoja opinia pozwala nam tworzyć lepsze treści.
Udostępnij:
Wybrane dla Ciebie
Komentarze (0)