Meddig gyorsulhatnak még a pécék?

Hosszú utat tettünk meg az első integrált áramkör 1958-as megalkotásától a mai kütyüinkben dolgozó mikrocsipekig, amelyekben az alkatrészek olyan aprók, hogy azt nemhogy látni, de már felfogni is nehéz. Ezen a hosszú úton azonban a fejlődés olyan gyorsulást produkált, hogy ha mobilon olvassák ezt a cikket, nem férnek ki a képernyőre a számok, amelyekkel jellemezhető a folyamat. A csipgyártás ötven éve alatt

• a teljesítmény 3,5 ezerszeresére nőtt,
• az energiahatékonyság 90 ezerszeresére,
• az egy tranzisztorra vetített ár pedig 60 ezerszeresére csökkent,
• ha az autóipar fejlődött volna ilyen tempóban, a mai autók 480 ezer kilométer per órás sebességre lennének képesek.

Ezt a szélsebes tempót jósolta meg és ezzel végső soron diktálta is Moore törvénye. Éppen idén tavasszal volt ötven éve, hogy az Intel-társalapító Gordon Moore leírta, hogy a csipekben az egy négyzetcentiméterre eső tranzisztorok száma kétévente meg fog duplázódni. Ezt a tempót pedig idáig tartotta is az ipar, és csak jöttek az egyre gyorsabb és egyre kisebb pécék, laptopok, telefonok.

Az utóbbi időben azonban ez a tempó csillapodni látszik, és Moore törvénye minden eddiginél közelebb került ahhoz, hogy megszegjük.

Az utóbbi 50 évben mindig igaz volt, hogy ha csökkentjük a méretet, minden jobb lesz. Ez többé nem igaz. Most először a tranzisztoronkénti költség elkezdett emelkedni

– mondta Scott McGregor a Broadcom csipgyártó kommunikációs vezetője.

Intelmek

A világ vezető csipgyártója, az Intel az utóbbi időben két ütemben, az úgynevezett tik-tak modell szerint fejlesztette a csipjeit, hogy minél több tranzisztort tudjanak rávarázsolni az ujjpercnyi méretű lapkára. Az első évben összementek a csipek (tik), a következőben pedig ezen a méreten optimalizálták a felépítésüket (tak). A legutolsó ilyen kétlépcsős fejlesztés eredménye a tavaly bevezetett, 14 nanométeres technológiával készült Broadwell, és az idén augusztusban bemutatott Skylake.

A 14 nanométer egyébként azt jelenti, hogy a tranzisztorok nagyjából 7 ezerszer kisebbek az emberi haj átmérőjénél, bár ezeknél a méreteknél egyre kevésbé van értelme az ilyen összehasonlítgatásnak.

Ezúttal azonban megtörik a sorozat, mert a 2016-ra bejelentett Kaby Lake processzor szintén 14 nanométeres tranzisztorokkal lesz megpakolva, így a következő lépésnek számító 10 nanométeres csip 2017-re tolódik. Eddig is többször felmerült már, hogy nincs tovább, aztán végül a kutatók mindig találtak valamilyen áthidaló megoldást, mindig el tudták hárítani az éppen aktuális akadályt.

Brian Krzanich Intel-vezérigazgató szerint nem fejlődött olyan ütemben, mint korábban, ezért érezte úgy a cég, hogy a jövő évre szükség van a Kaby Lake modell beiktatására, illetve a 10 nanométeres Cannonlake eltolására.

A 10 nanométeres méretnél az Intel közelít a határához annak, ami még a szilíciummal elérhető

– mondta, hozzátéve, hogy a további fejlődéshez újabb anyagokra lehet majd szükség.

Vad lelkesedéssel fogadok bármilyen új ötletet

– mondta ugyanerről Mark Bohr, az Intel főmunkatársa egy tavaly decemberi konferencián. Ő úgy saccolta, hogy a szilíciumban még nagyjából egy évtized lehet.

Szilíciumhegy, szilíciumvölgy

A szilíciummal elég nagy szerencséje volt a csipgyártásnak, tud szinte mindent, ami egy számítógép agyának kellhet:

• félvezető,
• könnyű feldolgozni,
• az oxidja, a szilícium-dioxid remek szigetelő,
• mivel az oxigén után a második leggyakoribb elem a Földön, nincs belőle hiány,
• éppen ezért elég olcsó is.

Viszont a folyamatos zsugorítás nem tarthat örökké. A szilíciumatom nagyjából 0,2 nanométeres, ez jelentené a jelenlegi technológia végső fizikai határát, de már az egyatomos tranzisztorok elérése előtt túl kiszámíthatatlanná válik az anyag ahhoz, hogy építeni lehessen rá. És azért stabil állapotában se tökéletes.

Három fő gyengéje van. Egyrészt más félvezető anyagokhoz (például a gallium-arzenidhez, az indium-arzenidhez vagy az indium-antimonidhoz) képest kisebb az elektronmobilitása, vagyis az elektronok lassabban mozognak benne, ami végső soron a processzorok sebességnövekedését is behatárolja. Ráadásul a szilícium esetében az elektronlyuk (az elmozgó elektronok által hagyott űr) mobilitása még sokkal kisebb, ezért ez a tulajdonság még komolyabban korlátozza az elérhető teljesítményt.

A második probléma, hogy rosszul viseli a felmelegedést. A sok millió tranzisztor rengeteg hőt termel, amitől a szilícium-áramkörök teljesítménye meredeken esik, ezért komoly hűtést igényelnek. Más félvezetők (mint a gallium-nitrid vagy a szilícium-karbid) sokkal jobban bírják a nagy meleget.

Végül a szilícium elég gyengén vezeti a fényt, ezért a lézerekben és ledekben más alternatívákat, több különböző anyagból készült összetett félvezetőket alkalmaznak, és a kétféle alapanyag gyártása külön iparrá nőtte ki magát. Az utóbbi időben azonban egyre erősebb a törekvés a kettő közelítésére.

Ami jobb lehet a szilíciumnál

A szilícium gyengéit a germánium orvosolhatja, mert több tulajdonságban is veri. 1958-ban éppen ezért germániumból alkották meg a világ első integrált áramkörét. Aztán hamar rájöttek, hogyan tudnak hatékonyan dolgozni a szilíciummal, és ez vált egyeduralkodóvá. Néhány kutató szerint azonban a szilícium kimaxolása elhozhatja a germánium reneszánszát.

Tavaly decemberben a Purdue Egyetem kutatói bemutattak egy az eddigieknél sokkal hatékonyabb germániumcsip-gyártási eljárást, amely állítólag pár éven belül bevetésre kész lehet. A germániumnak is vannak ugyanakkor hátrányai. Az oxidja például sokkal instabilabb, mint az szilíciumé, ezért a tiszta germániumtranzisztorokat sokkal jobban kell mesterségesen védeni, ami drágábbá és nehézkesebbé teszi őket. Ráadásul az olvadáspontja is alacsonyabb.

A legvalószínűbb, hogy teljesen új alapanyagra nem egyik napról a másikra fog átállni egy ekkora iparág. A legjobb és már rövid távon is működő megoldás a keverés lehet, a szilícium feljavítása az egy-egy szempontból kedvezőbb tulajdonságú alternatívákkal, mint ahogy a napelemek esetében erre már látszik is sikeres példa.

Ezt tette az Intelt beelőző IBM is, amikor júliusban elkészítették a világ első 7 nanométeres csipjét. A szilícium határait ők se tudták tovább feszíteni, ehelyett egy szilícium-germánium ötvözetet használtak, és az is kellett a rekordhoz, hogy az Extrém Ultraibolya Litográfia (EUVL) nevű eljárást használták az előállítás során. Viszont évekbe telik, amíg sorozatgyártásba kerülhet.

De a legígéretesebb anyagok az összetett félvezetők, köztük is a III-V félvezetők (onnan kapták a nevüket, hogy a periódusos rendszer IV. főcsoportjában található szilícium szomszédai). Egy ilyen szilíciumot kiegészítő réteggel, a gallium-nitriddel foglalkozik például az Efficient Power Conversion nevű startup, és 2017-ig szeretnének is gyártásra kész csipet produkálni.

Integrált álomkör

Persze a kutatások nem állnak meg a biztonsági játéknál, és jóval túlnéznek a szilíciumot toldozgató-foltozgató megoldásokon. Az egyik lehetőség természetesen a grafén, a 21. század csodaanyaga, amely több kutatási területet mozgatott meg a 2004-es első előállítása óta, mint amennyit érintetlenül hagyott.

Az egyetlen szénatom vastagságú grafénból készült kísérleti csip stabil, energiatakarékos, és a mai szilíciumcsipek sebességének a sokszorosára képes. Nagy hátránya viszont, hogy nincs tiltott sávja, olyan tartománya, amely elhatárolja a különböző elektronállapotokat, ami pedig az egyesek és nullák megkülönböztetéséhez nem ártana.

Sokkal alkalmasabbak félvezetőnek a grafén feltekerésével előállítható szén nanocsövek, ezeket viszont nagyon nehéz pontosan illeszteni, így könnyen elvesztik a csipkészítéshez szükséges tulajdonságaikat. A szénalapú csipekkel is elsősorban az IBM kísérletezik, a cég kutatórészlegénél úgy gondolják, hogy két-három csipgeneráció múlva már találkozhatunk nanocsöves processzorokkal.

Ennél jóval elrugaszkodottabb az a kutatási irány, amely nem az elektronok töltését, hanem a spinjüket feleltetné meg az egyeseknek és nulláknak. Ennek elsősorban az lenne az előnye, hogy egy ilyen csip sokkal kevesebb energiát igényelne a működéshez. A Globalfoundriesnál úgy gondolják, hogy spintronikai alapú csipek akár a nanocsöves változatot is beelőzhetik a piacra kerülésben, de a módszer hátránya, hogy továbbra is szükség lenne a hagyományos elektronikára, hogy a processzor a rendszer többi részével kommunikálni tudjon, a kétféle megoldás közötti fordítás pedig időigényes. Ezért inkább ott lehet hasznos ez a megoldás, ahol nincs szükség nagyon gyors számításokra, viszont nagy előny az energiahatékonyság.

És innen már csak egy ugrás a kvantumszámítógépek furcsa világa a qubitekkel és szuperpozíciókkal, de erről már külön is írtunk korábban, és szintén csak bizonyos feladattípusok esetében válthatná ki a jó öreg integrált áramkört.

Még egy alternatíva, amellyel régóta próbálkoznak a tudósok, az optikai számítógép, amelyben elektronok helyett fotonok cikáznának. Évek óta folyik a kutatás ebben az irányban is, bármiféle számottevő siker nélkül. Idén augusztusban azonban egy orosz-spanyol-francia kutatócsapat bemutatott egy új módszert, amely meghozhatja az áttörést.

A probléma az optikai megoldásokkal, hogy a látható fény hullámhossza túl nagy ahhoz, hogy elég pontosan lehessen vele dolgozni, az ennél kisebb hullámhossz viszont nehezen kezelhető. A kutatók most két centiméter átmérőjű kerámiagömböket használtak, amelyekkel már elég pontosan tudják irányítani az elektromágneses sugárzást ahhoz, hogy abból egy számítógép alapja kerekedhessen majd ki. A kétcentis gömbök persze még nem férnek bele a legújabb Iphone-ba, de az eredmények azért ígéretesek, mert elvileg amíg ugyanilyen törésmutatójú anyaggal dolgoznak, hasonlóan működőképes a dolog nanogömbökkel is, ezek gyártásához pedig már készen áll a technológia.

Az eddigi elképesztő fejlődési ütem tehát lelassult ugyan, de a Moore-törvényt még nem érdemes temetni, csak a következő évtizedekben valószínűleg nem (tisztán) szilícium fogja hajtani.