Эволюция транзисторов: от Bell Labs до молекулярных вычислений
В 1960-х и 1970-х годах электроника опиралась на p-n-переходные транзисторы. Bell Labs представили нам эту конструкцию, которая оставалась стандартом на протяжении долгого времени. После этого в 1970-х годах развитие кремниевых технологий сделало огромный шаг вперед. Появились полевые транзисторы с металлическо-оксидным полупроводниковым затвором (MOSFET). MOSFET используют тот же базовый принцип, но изменяют расположение кремния. Кремний n-типа и кремний p-типа легируются различными металлами и оксидами. Результат? Материалы стали дешевле. Улучшилась компоновка. Инженеры получили больше гибкости.
Инженеры на этом не остановились. Они начали классифицировать транзисторы по всему: от материала полупроводника до номинальной мощности. Почему? Потому что каждое приложение требует различных функций. Важна рабочая частота. Важна структура. Затем произошел большой скачок в производстве. Инженеры поняли, что могут одновременно изготавливать тысячи транзисторов на одном листе полупроводникового материала. Добавление конденсатора и резистора завершает создание интегральной схемы.
Мы называем их чипами. Но внутри этих маленьких коробок находятся миллиарды крошечных транзисторов.
С 1960-х годов плотность размещения транзисторов удваивается каждые 1,5 года. Инженеры продолжают упаковывать устройства в все меньшие пространства. Сегодня коммерчески доступные кремниевые транзисторы имеют размер менее 45 нанометров. Для масштаба: архитектура графического процессора NVIDIA GF100 содержит более 3 миллиардов транзисторов. Это самый компактный чип в истории.
Но эти современные транзисторы выглядят большими по сравнению с транзисторами будущего.
Исследователи из Йельского университета и Южной Кореи создали первый в мире молекулярный транзистор. Он сделан из одной молекулы бензола. Размер — не единственное преимущество здесь. Реальна и эффективность. Современные чипы теряют много энергии в виде тепла, поскольку не передают энергию полностью эффективно. Молекулярные транзисторы обладают потенциалом решить эту проблему. Они могут значительно повысить энергоэффективность будущих устройств.
Материалы также меняются. Графен становится серьезным претендентом. Он транспортирует электроны намного быстрее, чем кремний. По некоторым оценкам, процессоры на основе графена могут работать в 1000 раз быстрее, чем текущие кремниевые продукты.
Путь определен. Транзисторы и в будущем будут стимулировать исследования. Компьютеры станут быстрее. Дешевле. Более надежными. Мобильные телефоны и музыкальные плееры будут уменьшаться до сверхмалых размеров при снижении стоимости. Представить весь масштаб этих изменений сложно. Однако все начинается с этого простого устройства. Изобретенного более 60 лет назад.
Сила транзисторов выходит за пределы аппаратного обеспечения. Важно то, как он меняет технологический ландшафт. В конце концов, это наше общество. И такой маленький компонент имеет значительный вес.
История современного цифрового мира начинается не со смартфонов или облачных серверов. Она началась в 1954 году с треска небольшого пластикового коробочка.
Компания Texas Instruments занимается не только производством радиоприемников. Она поставляла транзисторы, которые сделали возможным создание таких устройств. До этого электронные устройства были большими, горячими и хрупкими. В радиоэлектронике доминировали вакуумные лампы. Им требовалось высокое напряжение. Они часто выходили из строя. Regency TR-1 изменил физические характеристики персональных медиаустройств. Это был первый коммерчески выпускаемый продукт на транзисторах. Его можно было легко положить в карман. Больше не нужно было таскать с собой громоздкий приемник в корпусе-шкафу.
Это не просто новый гаджет. Это аппаратная революция.
Почему транзисторы важнее, чем радиоприемники
Обратите внимание на разницу в размерах. Мощный радиоприемник на вакуумных лампах. Вес Regency составлял менее 1 фунта (около 450 г). Снижение веса было не случайностью. Это стало прямым результатом перехода от вакуумных ламп к твердотельным кремниевым компонентам.
Как работает транзистор? Он действует как переключатель. Или как усилитель. Он использует полупроводники для управления током. Это основа всех современных вычислений. Когда вы касаетесь экрана, электрический ток проходит через миллиарды крошечных транзисторов. Они интерпретируют ваше касание. Отображают изображение. Все это восходит к прорыву 1954 года.
Regency TR-1 стал доказательством концепции. Texas Instruments продемонстрировала работоспособность цепочки поставок. Это партнерство стало свидетельством развития полупроводниковой индустрии. Оно сместило фокус инвестиций. Приоритеты изменились. Внезапно все захотели создавать устройства меньшего размера. Более быстрые. С более низким рабочим нагревом.
Физика, стоящая за магией
Чтобы понять, почему это так важно, необходимо обратиться к науке. Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Здесь королем является кремний.
Согласно исследованиям виртуального института Университета Вирджинии, поведение этих материалов зависит от их атомной структуры. Легирование кремния другими элементами создает области, которые разрешают или блокируют поток электронов. Это основной принцип работы транзистора. В простоте заложена элегантность. Однако его реализация сложна.
Изначально Regency использовала германиевые транзисторы. Затем их сменил кремний. Кремний встречается в природе гораздо чаще. Он способен выдерживать более высокие температуры. Он более стабилен. Благодаря этим изменениям в материаловедении стала возможной миниатюризация, которую мы сегодня считаем должным. В вашем ноутбуке установлено миллиарды таких переключателей. Они срабатывают за наносекунды.
Расширение границ: одномолекулярные транзисторы
Этот тренд не остановился. Он просто продолжает становиться все меньше.
К концу 2009 года исследователям удалось достичь того, что казалось чем-то из научной фантастики. Они создали одномолекулярный транзистор. Это не объемный материал. Это была одна молекула, действующая как активный компонент.
В декабре 2009 года агентство UPI сообщило об этом достижении. Масштаб последствий ошеломляет. Если транзисторы можно уменьшить до размера одной молекулы, то где остановится миниатюризация? Это бросает вызов физическим пределам закона Мура. Это предсказывает будущее, в котором схемы будут создаваться атом за атомом.
Речь идет не только об уменьшении размеров. Речь идет об эффективности. Меньше тепла. Ниже потребление энергии. Выше скорость. Путь от Regency TR-1 к одномолекулярному переключателю — это прямая линия непрерывной оптимизации.
