Evoluce tranzistoru: Od Bellových laboratoří po molekulární výpočty
V 60. a 70. letech se elektronika spoléhala na tranzistory s p-n přechodem. Bell Labs nám představil tento design, který zůstal dlouhou dobu standardem. Poté, v 70. letech, udělal vývoj křemíkové technologie obrovský krok vpřed. Objevily se metal-oxidové polovodičové hradlové tranzistory s efektem pole (MOSFET). MOSFETy používají stejný základní princip, ale mění umístění křemíku. Křemík typu N a křemík typu p jsou dopovány různými kovy a oxidy. Výsledek? Materiály zlevnily. Rozložení bylo vylepšeno. Inženýři mají větší flexibilitu.
Inženýři se tam nezastavili. Začali klasifikovat tranzistory podle všeho od polovodičového materiálu po jmenovitý výkon. Proč? Protože každá aplikace vyžaduje jiné funkce. Důležitá je provozní frekvence. Struktura je důležitá. Pak nastal velký skok ve výrobě. Inženýři si uvědomili, že mohou současně vyrobit tisíce tranzistorů na jediném listu polovodičového materiálu. Přidáním kondenzátoru a rezistoru je integrovaný obvod dokončen.
Říkáme jim chipsy. Ale uvnitř těchto malých krabic jsou miliardy malých tranzistorů.
Od 60. let 20. století se hustota tranzistorů zdvojnásobuje každých 1,5 roku. Inženýři nadále balí zařízení do stále menších prostor. Dnes jsou komerčně dostupné křemíkové tranzistory menší než 45 nanometrů. Architektura GPU NVIDIA GF100 obsahuje více než 3 miliardy tranzistorů. Jedná se o nejmenší čip v historii.
Ale tyto moderní tranzistory vypadají ve srovnání s tranzistory budoucnosti velké.
Vědci z Yale University a Jižní Koreje vytvořili první molekulární tranzistor na světě. Vyrábí se z jedné molekuly benzenu. Velikost zde není jedinou výhodou. Efektivita je také reálná. Moderní čipy ztrácejí mnoho energie ve formě tepla, protože energii nepředávají zcela efektivně. Molekulární tranzistory mají potenciál tento problém vyřešit. Mohou výrazně zlepšit energetickou účinnost budoucích zařízení.
Mění se i materiály. Grafen se ukazuje jako vážný uchazeč. Přenáší elektrony mnohem rychleji než křemík. Podle některých odhadů by procesory založené na grafenu mohly být 1000krát rychlejší než současné křemíkové produkty.
Cesta je určena. Tranzistory budou v budoucnu nadále stimulovat výzkum. Počítače budou rychlejší. Levnější. Spolehlivější. Mobilní telefony a hudební přehrávače se zmenší do ultra malých rozměrů s nižšími náklady. Je těžké si představit celý rozsah těchto změn. Vše však začíná u tohoto jednoduchého zařízení. Vynalezeno před více než 60 lety.
Síla tranzistorů přesahuje hardware. Důležité je, jak to změní technologické prostředí. Koneckonců, taková je naše společnost. A tak malá součástka má značnou váhu.
Historie moderního digitálního světa nezačíná chytrými telefony nebo cloudovými servery. Začalo to v roce 1954 prasknutím malé plastové krabičky.
Texas Instruments dělá víc, než jen vyrábí rádia. Dodala tranzistory, které umožnily taková zařízení. Předtím byla elektronická zařízení velká, horká a křehká. Elektronky dominovaly rádiové elektronice. Vyžadovaly vysoké napětí. Často selhali. Regency TR-1 změnila fyzické vlastnosti osobních mediálních zařízení. Byl to první komerčně vyráběný tranzistorový produkt. Dalo by se snadno dát do kapsy. Už nebylo potřeba nosit objemný přijímač ve skříni.
Toto není jen nový gadget. Jedná se o hardwarovou revoluci.
Proč jsou tranzistory důležitější než rádia
Všimněte si prosím rozdílu velikosti. Výkonný rádiový přijímač využívající elektronky. Regency vážil méně než 1 libru (asi 450 g). Hubnutí nebylo náhodné. To byl přímý důsledek přechodu z elektronek na pevné křemíkové komponenty.
Jak funguje tranzistor? Funguje jako spínač. Nebo jako zesilovač. K řízení proudu využívá polovodiče. Je základem veškeré moderní výpočetní techniky. Když se dotknete obrazovky, elektrický proud protéká miliardami malých tranzistorů. Interpretují váš dotek. Zobrazte obrázek. Vše sahá až k průlomu v roce 1954.
Regency TR-1 byl důkazem konceptu. Společnost Texas Instruments předvedla funkčnost dodavatelského řetězce. Toto partnerství je důkazem rozvoje polovodičového průmyslu. Posunula těžiště investic. Priority se změnily. Najednou všichni chtěli vytvářet menší zařízení. Rychleji. S nižší provozní teplotou.
Fyzika za magií
Abychom pochopili, proč je to tak důležité, musíme se podívat na vědu. Polovodiče zaujímají mezilehlou polohu mezi vodiči a dielektriky. Zde je králem křemík.
Podle výzkumu z University of Virginia Virtual Institute závisí chování těchto materiálů na jejich atomové struktuře. Dopování křemíku dalšími prvky vytváří oblasti, které umožňují nebo blokují tok elektronů. To je základní princip činnosti tranzistoru. V jednoduchosti je elegance. Jeho implementace je však složitá.
Regency zpočátku používal germaniové tranzistory. Poté byly nahrazeny křemíkem. Křemík se v přírodě vyskytuje mnohem častěji. Je schopen odolat vyšším teplotám. Je stabilnější. Tyto změny ve vědě o materiálech umožnily miniaturizaci, o které dnes uvažujeme. Ve vašem notebooku jsou miliardy těchto přepínačů. Pracují v nanosekundách.
Posouvání hranic: tranzistory s jednou molekulou
Tento trend se nezastavil. Jen se stále zmenšuje.
Do konce roku 2009 vědci dosáhli něčeho, co vypadalo jako něco ze sci-fi. Vytvořili jednomolekulární tranzistor. Nejedná se o sypký materiál. Jednalo se o jednu molekulu působící jako aktivní složka.
V prosinci 2009 společnost UPI oznámila tento úspěch. Rozsah následků je ohromující. Pokud lze tranzistory zmenšit na velikost jedné molekuly, kde se miniaturizace zastaví? To zpochybňuje fyzikální limity Moorova zákona. To předpovídá budoucnost, ve které budou okruhy vytvářeny atom po atomu.
Nejde jen o zmenšování. Jde o efektivitu. Méně tepla. Nižší spotřeba energie. Vyšší rychlost. Cesta od Regency TR-1 k jednomolekulárnímu přepínači je přímka nepřetržité optimalizace.
