Еволюція транзисторів: від Bell Labs до молекулярних обчислень
У 1960-х та 1970-х роках електроніка спиралася на p-n-перехідні транзистори. Bell Labs представили нам цю конструкцію, яка залишалася стандартом упродовж тривалого часу. Після цього у 1970-х роках розвиток кремнієвих технологій зробив величезний крок уперед. З’явилися польові транзистори з металево-оксидним напівпровідниковим затвором (MOSFET). MOSFET використовують той самий базовий принцип, але змінюють розташування кремнію. Кремній n-типу та кремній p-типу легуються різними металами та оксидами. Результат? Матеріали стали дешевшими. Поліпшилося компонування. Інженери отримали більше гнучкості.
Інженери на цьому не зупинилися. Вони почали класифікувати транзистори з усього: від матеріалу напівпровідника до номінальної потужності. Чому? Тому що кожна програма вимагає різних функцій. Важливою є робоча частота. Важливою є структура. Потім відбувся великий стрибок у виробництві. Інженери зрозуміли, що можуть одночасно виготовляти тисячі транзисторів на одному аркуші напівпровідникового матеріалу. Додавання конденсатора та резистора завершує створення інтегральної схеми.
Ми називаємо їх чіпами. Але всередині цих дрібних коробок знаходяться мільярди крихітних транзисторів.
З 1960-х років щільність розміщення транзисторів подвоюється кожні 1,5 року. Інженери продовжують упаковувати пристрої у менші простори. Сьогодні комерційно доступні кремнієві транзистори мають розмір менше ніж 45 нанометрів. Для масштабу: архітектура графічного процесора NVIDIA GF100 містить понад 3 мільярди транзисторів. Це компактний чіп в історії.
Але ці сучасні транзистори виглядають більшими порівняно з транзисторами майбутнього.
Дослідники з Єльського університету та Південної Кореї створили перший у світі молекулярний транзистор. Він виготовлений з однієї молекули бензолу. Розмір – не єдина перевага тут. Реальна та ефективність. Сучасні чіпи втрачають багато енергії у вигляді тепла, оскільки не передають енергії повністю ефективно. Молекулярні транзистори мають потенціал вирішити цю проблему. Вони можуть значно збільшити енергоефективність майбутніх пристроїв.
Матеріали також змінюються. Графен стає серйозним претендентом. Він транспортує електрони набагато швидше ніж кремній. За деякими оцінками, процесори на основі графену можуть працювати у 1000 разів швидше, ніж поточні кремнієві продукти.
Шлях визначено. Транзистори і надалі стимулюватимуть дослідження. Комп’ютери стануть швидшими. Дешевше. Більш надійними. Мобільні телефони та музичні плеєри зменшуватимуться до надмалих розмірів при зниженні вартості. Уявити весь масштаб цих змін складно. Однак все починається з цього простого пристрою. Винайденого понад 60 років тому.
Сила транзисторів виходить межі апаратного забезпечення. Важливим є те, як він змінює технологічний ландшафт. Зрештою, це наше суспільство. І такий маленький компонент має значну вагу.
Історія сучасного цифрового світу починається не зі смартфонів чи хмарних серверів. Вона розпочалася у 1954 році з тріску невеликої пластикової коробочки.
Компанія Texas Instruments займається не лише виробництвом радіоприймачів. Вона поставляла транзистори, які уможливили створення таких пристроїв. До цього електронні пристрої були великими, гарячими та крихкими. У радіоелектроніці домінували вакуумні лампи. Їм була потрібна висока напруга. Вони часто виходили з ладу. Regency TR-1 змінив фізичні характеристики персональних медіапристроїв. Це був перший комерційний продукт на транзисторах. Його можна було легко покласти до кишені. Більше не треба було тягати із собою громіздкий приймач у корпусі-шафі.
Це не просто новий гаджет. Це апаратна революція.
Чому транзистори важливіші, ніж радіоприймачі
Зверніть увагу на різницю у розмірах. Потужний радіоприймач на вакуумних лампах. Вага Regency становила менше 1 фунта (близько 450 г). Зниження ваги було випадковістю. Це стало прямим результатом переходу від вакуумних ламп до твердотільних кремнієвих компонентів.
Як працює транзистор? Він діє як перемикач. Або як підсилювач. Він використовує напівпровідники для керування струмом. Це є основою всіх сучасних обчислень. Коли ви торкаєтеся екрану, електричний струм проходить через мільярди маленьких транзисторів. Вони інтерпретують ваш дотик. Відображають зображення. Усе це сягає прориву 1954 року.
Regency TR-1 став доказом концепції. Texas Instruments продемонструвала працездатність ланцюжка постачання. Це партнерство стало свідченням розвитку напівпровідникової промисловості. Воно змістило фокус інвестицій. Пріоритети змінились. Несподівано всі захотіли створювати пристрої меншого розміру. Швидкі. З нижчим робочим нагріванням.
Фізика, що стоїть за магією
Щоб зрозуміти, чому так важливо, необхідно звернутися до науки. Напівпровідники займають проміжне положення між провідниками та діелектриками. Тут королем є кремній.
Згідно з дослідженнями віртуального інституту Університету Вірджинії, поведінка цих матеріалів залежить від їхньої атомної структури. Легування кремнію іншими елементами створює області, що дозволяють або блокують потік електронів. Це основний принцип роботи транзистора. У простоті закладено елегантність. Однак його реалізація складна.
Спочатку Regency використовувала германієві транзистори. Потім їх змінив кремній. Кремній зустрічається у природі набагато частіше. Він здатний витримувати вищі температури. Він більш стабільний. Завдяки цим змінам у матеріалознавстві стала можливою мініатюризація, яку ми сьогодні вважаємо за належне. У вашому ноутбуці встановлені мільярди таких перемикачів. Вони спрацьовують за наносекунди.
Розширення кордонів: одномолекулярні транзистори
Цей тренд не зупинився. Він просто продовжує ставати дедалі менше.
До кінця 2009 року дослідникам вдалося досягти того, що здавалося чимось із наукової фантастики. Вони створили одномолекулярний транзистор. Не об’ємний матеріал. Це була одна молекула, що діє як активний компонент.
У грудні 2009 року агентство UPI повідомило про це досягнення. Масштаб наслідків приголомшує. Якщо транзистори можна зменшити до розміру однієї молекули, де зупиниться мініатюризація? Це кидає виклик фізичним межам закону Мура. Це передбачає майбутнє, у якому схеми створюватимуться атом за атомом.
Йдеться не лише про зменшення розмірів. Йдеться про ефективність. Менше тепла. Нижче споживання енергії. Вище швидкість. Шлях від Regency TR-1 до одномолекулярного перемикача – це пряма лінія безперервної оптимізації.
