Ewolucja tranzystora: od laboratoriów Bell do obliczeń molekularnych
W latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych XX wieku elektronika opierała się na tranzystorach złączowych p-n. Bell Labs zapoznało nas z tą konstrukcją, która przez długi czas pozostawała standardem. Następnie, w latach 70. XX wieku, rozwój technologii krzemowej zrobił ogromny krok naprzód. Pojawiły się tranzystory polowe z bramką półprzewodnikową i tlenkiem metalu (MOSFET). Tranzystory MOSFET wykorzystują tę samą podstawową zasadę, ale zmieniają rozmieszczenie krzemu. Krzem typu N i krzem typu p są domieszkowane różnymi metalami i tlenkami. Wynik? Materiały stały się tańsze. Układ został poprawiony. Inżynierowie mają większą elastyczność.
Inżynierowie na tym nie poprzestali. Zaczęli klasyfikować tranzystory według wszystkiego, od materiału półprzewodnikowego po moc znamionową. Dlaczego? Ponieważ każda aplikacja wymaga innych funkcji. Częstotliwość pracy jest istotna. Struktura jest ważna. Potem nastąpił duży skok w produkcji. Inżynierowie zdali sobie sprawę, że mogą jednocześnie wytwarzać tysiące tranzystorów na jednym arkuszu materiału półprzewodnikowego. Dodanie kondensatora i rezystora kończy obwód scalony.
Nazywamy je chipsami. Ale wewnątrz tych małych pudełek znajdują się miliardy maleńkich tranzystorów.
Od lat 60. XX wieku gęstość tranzystorów podwajała się co 1,5 roku. Inżynierowie nadal pakują urządzenia w coraz mniejsze przestrzenie. Obecnie dostępne na rynku tranzystory krzemowe mają wielkość mniejszą niż 45 nanometrów. Aby zapewnić skalę, architektura procesora graficznego NVIDIA GF100 zawiera ponad 3 miliardy tranzystorów. To najmniejszy chip w historii.
Ale te nowoczesne tranzystory wyglądają na duże w porównaniu z tranzystorami przyszłości.
Naukowcy z Uniwersytetu Yale i Korei Południowej stworzyli pierwszy na świecie tranzystor molekularny. Jest wykonany z jednej cząsteczki benzenu. Rozmiar nie jest tutaj jedyną zaletą. Skuteczność też jest realna. Nowoczesne chipy tracą dużo energii w postaci ciepła, ponieważ nie przenoszą energii w sposób całkowicie efektywny. Tranzystory molekularne mają potencjał rozwiązania tego problemu. Mogą znacząco poprawić efektywność energetyczną przyszłych urządzeń.
Zmieniają się także materiały. Grafen staje się poważnym konkurentem. Transportuje elektrony znacznie szybciej niż krzem. Według niektórych szacunków procesory oparte na grafenie mogą być 1000 razy szybsze niż obecne produkty krzemowe.
Ścieżka jest ustalona. Tranzystory będą w dalszym ciągu stymulować badania w przyszłości. Komputery staną się szybsze. Tańsze. Bardziej niezawodny. Telefony komórkowe i odtwarzacze muzyczne zostaną zmniejszone do bardzo małych rozmiarów przy niższych kosztach. Trudno wyobrazić sobie pełną skalę tych zmian. Wszystko zaczyna się jednak od tego prostego urządzenia. Wynaleziony ponad 60 lat temu.
Moc tranzystorów wykracza poza sprzęt. Ważne jest, jak zmienia to krajobraz technologiczny. W końcu takie jest nasze społeczeństwo. A tak niewielki element ma znaczną wagę.
Historia współczesnego cyfrowego świata nie zaczyna się od smartfonów czy serwerów w chmurze. Zaczęło się w 1954 roku od pęknięcia małego plastikowego pudełka.
Texas Instruments zajmuje się czymś więcej niż tylko produkcją radioodbiorników. Dostarczyła tranzystory, które umożliwiły powstanie takich urządzeń. Wcześniej urządzenia elektroniczne były duże, gorące i delikatne. W elektronice radiowej zdominowały lampy próżniowe. Wymagały wysokiego napięcia. Często kończyły się niepowodzeniem. Regency TR-1 zmieniło właściwości fizyczne osobistych urządzeń multimedialnych. Był to pierwszy komercyjnie produkowany produkt tranzystorowy. Można go było łatwo włożyć do kieszeni. Nie było już potrzeby noszenia nieporęcznego odbiornika w szafce.
To nie tylko nowy gadżet. To rewolucja sprzętowa.
Dlaczego tranzystory są ważniejsze niż radia
Proszę zwrócić uwagę na różnicę wielkości. Potężny odbiornik radiowy wykorzystujący lampy próżniowe. Regencja ważyła mniej niż 1 funt (około 450 g). Utrata wagi nie była przypadkowa. Było to bezpośrednim skutkiem przejścia od lamp próżniowych do półprzewodnikowych elementów krzemowych.
Jak działa tranzystor? Działa jak przełącznik. Lub jako wzmacniacz. Wykorzystuje półprzewodniki do kontrolowania prądu. Jest podstawą całej współczesnej informatyki. Kiedy dotkniesz ekranu, prąd elektryczny przepływa przez miliardy maleńkich tranzystorów. Interpretują Twój dotyk. Wyświetl obraz. Wszystko zaczęło się od przełomu z 1954 roku.
Regency TR-1 był dowodem koncepcji. Firma Texas Instruments zademonstrowała funkcjonalność łańcucha dostaw. To partnerstwo jest świadectwem rozwoju przemysłu półprzewodników. To zmieniło kierunek inwestycji. Priorytety się zmieniły. Nagle wszyscy zapragnęli tworzyć mniejsze urządzenia. Szybciej. Z niższym ciepłem roboczym.
Fizyka kryjąca się za magią
Aby zrozumieć, dlaczego jest to tak ważne, musimy przyjrzeć się nauce. Półprzewodniki zajmują pozycję pośrednią pomiędzy przewodnikami i dielektrykami. Tutaj króluje krzem.
Według badań Instytutu Wirtualnego Uniwersytetu Wirginii zachowanie tych materiałów zależy od ich budowy atomowej. Domieszkowanie krzemu innymi pierwiastkami tworzy obszary, które umożliwiają lub blokują przepływ elektronów. Jest to podstawowa zasada działania tranzystora. W prostocie kryje się elegancja. Jednak jego wdrożenie jest złożone.
Firma Regency początkowo stosowała tranzystory germanowe. Następnie zastąpiono je silikonem. Krzem występuje w przyrodzie znacznie częściej. Jest w stanie wytrzymać wyższe temperatury. Jest stabilniej. Te zmiany w materiałoznawstwie umożliwiły miniaturyzację, o której myślimy dzisiaj. W Twoim laptopie są miliardy takich przełączników. Działają w nanosekundach.
Przesuwanie granic: tranzystory jednocząsteczkowe
Tendencja ta nie została zatrzymana. Po prostu jest coraz mniejsza.
Pod koniec 2009 roku badaczom udało się osiągnąć coś, co wydawało się rodem z science fiction. Stworzyli tranzystor jednocząsteczkowy. To nie jest materiał sypki. Była to jedna cząsteczka działająca jako składnik aktywny.
W grudniu 2009 roku UPI ogłosiło to osiągnięcie. Skala skutków jest porażająca. Jeśli tranzystory można zmniejszyć do rozmiaru pojedynczej cząsteczki, gdzie kończy się miniaturyzacja? Podważa to fizyczne ograniczenia prawa Moore’a. To przewiduje przyszłość, w której obwody będą tworzone atom po atomie.
Nie chodzi tylko o redukcję. Chodzi o efektywność. Mniej ciepła. Niższe zużycie energii. Większa prędkość. Droga od Regency TR-1 do przełącznika jednocząsteczkowego to prosta linia ciągłej optymalizacji.
