Miniaturizace čipů má své hranice

Informační technologie stojí před zásadní změnou: po čtyři desetiletí platil tzv. Mooreův zákon, podle něhož se každých 18 měsíců, resp. dva roky zdvojnásobuje generaci od generace čipů počet integrovaných obvodů na nich. Čipy musejí být stále menší, rychlejší a levnější – to byl leitmotiv snahy výrobců čipů. Dnes ale situace vypadá tak, že platnost zákona brzy narazí na meze své působnosti.Informační technologie stojí před zásadní změnou: po čtyři desetiletí platil tzv. Mooreův zákon, podle něhož se každých 18 měsíců, resp. dva roky zdvojnásobuje generaci od generace čipů počet integrovaných obvodů na nich. Čipy musejí být stále menší, rychlejší a levnější - to byl leitmotiv snahy výrobců čipů. Dnes ale situace vypadá tak, že platnost zákona brzy narazí na meze své působnosti.

Zatímco integrované obvody se zmenšují až do nanorozměrů, neúměrně dražší a dražší jsou investice do nových výroben čipů – dosahují už miliard dolarů, eur či jenů, protože čím je čip menší, tím je jeho výroba dražší. Vše vypadá tak, že elektronika a IT musejí hledat nová řešení.  Gordon Moore o »svém« zákonu říká:  „Tranzistorová technologie je až, drasticky příznivější z hlediska nákladů než, dřívější standardní výrobní způsoby v elektronice. I přes poměrně málo údajů je zřejmý vzestupný průběh křivky hustoty integrace tranzistorů na křemíkové destičce a pokles nákladů z roku na rok při stejném výkonu. Tento trend jsem přenesl do budoucnosti a předpověděl jsem desetinásobné zdvojnásobení hustoty tranzistorů na čipu. A skutečně jsme, pokud vím, v těch deseti letech počínaje rokem 1965 zažili devět zdvojnásobení. Takže moje předpověď, dá se říci, vyšla naplno.” Díky úspěšnosti této prognózy se pak začalo hovořit o »Mooreově zákoně«.

Nejde o přírodní zákon!
To, že se hustota integrovaných obvodů na tranzistoru generace od generace zdvojnásobuje, se vědělo už v době, kdy Moore psal onen článek, čili de facto neobjevil nic zásadně nového. Pouze naznačil to, že hustota tranzistorů by se měla zvětšovat tak, aby se ušetřil čas a materiál. Jeho kalkul byl jasný: menší čipy pro počítače, které mají větší kapacitu výkonu, a při ukládání dat. Tento zákon je vyjadřován též grafem, jehož souřadnicemi x a y je čas a počet tranzistorů na jednom čipu, a vývoj znázorňuje křivka, která je velmi blízká diagonální přímce vedoucí od počátku stupnice doprava nahoru. Když Moore psal svůj článek, pracoval ještě jako vedoucí vývojových laboratoř ve firmě Fairchild. Tehdy tam byl (v roce 1965) vyvinut čip se 64 tranzistory. Dnes je na některých procesorech firmy Intel, kterou Moore spoluzakládal v roce 1968, umístěno až 400 milionů tranzistorů. Prostě: tranzistorů je stále více na stále menším prostoru. Po deseti letech korigoval Moore tempo zmenšování čipů z 18 měsíců na 2 roky Tempo vývoje novinek v čipech bylo samozřejmě v určitých fázích rychlejší a jindy zase pomalejší, ale v průměru odpovídalo uvedené »opravě«. V dlouhodobém přehledu provedeném firmou Intel od roku 1971 do roku 2001 se počet tranzistorů v procesorech vyvíjel v intervalech o průměru 1,96 roku mezi dvěma generacemi.

Pozitiva projevů zákona v praxi
Mnoho ekonomických a technických expertů zastává názor, že hospodářská konjunktura v USA a návazně ve světové ekonomice, která proběhla v 90. letech minulého století (tzv. »Clintonův hospodářský boom«), byla z velké části důsledkem působení Mooreova zákona. „Současné zvýšení produktivity je nutno aspoň z poloviny přičíst zvýšení produktivity počítačů,” prohlásil například Robert Gordon, profesor ekonomie na Severozápadní univerzitě v USA. Nejde však jenom o účinky makroekonomické. Působnost zákona se projevuje např. v tom, že počítače na trhu rychle zlevňují, a proto se také tak rychle rozšířily v průmyslu, obchodě, službách a vůbec všude. Nemohou se prodávat za vyšší ceny, protože díky rychlému vývoji čipů resp. součástkové základny jsou již po svém uvedení na trh relativně zastaralé.

»Mračna« nad zákonem?
Bude-li vývoj čipů pokračovat dosavadním směrem, tvrdí odborníci sdílející obavy z vypršení Mooreova zákona, pak dojde dříve či později k tomu, že tranzistory budou tak malé, že se jejich součástky velikostně přiblíží k rozměrům molekul. Distance mezi křemíkovými strukturami v čipech dnes činí 180 nanometrů (1 nm = 1 miliardtina metru). Podle Mooreova zákona by se měly do roku 2005 zmenšit na cca 100 nm. To ale hrozí přinést nové a zcela zásadní problémy – s vysokou pravděpodobností se projeví zákony kvantové mechaniky, podle nichž budou elektrony přeskakovat z jedno- § ho místa na druhé, aniž by procházely prostorem mezi nimi. Resp. aniž by procházely těmi drahami, jimiž mají procházet. Lze to zjednodušeně přirovnat k situaci, kdy z proděravěné hadice bude voda stříkat děrami na všechny strany, ale tělesem hadice jí bude proudit minimum. Podobně elektrony budou přeskakovat mezi drátky o velikosti, resp. tloušťce atomů, a to povede k fatálním zkratům. Jinak řečeno: čím menší jsou obvody v čipech, tím nižší je pravděpodobnost, že zákon bude platit pořád.

Ekonomická kalkulace
Současné problémy nejsou pouze technické – mají dopad i do kalkulací. Čím je totiž čip menší, tím více poruch se projevuje při jeho výrobě, tím více defektů pak vykazuje (ve statistickém vyjádření) a tím rychleji se opotřebovává. Příjemným dopadem zákona v praxi a v kapsách uživatelů byl a je ten fakt, že jelikož čipy rychle zlevňovaly, zlevňovaly i počítače, a to každého půldruhého roku asi o polovinu. Po čtyři se desetiletí dostávali jedinci a firmy kupující počítače díky aplikaci Mooreova zákona rok co rok za tutéž cenu cca 30 % výkonu těchto počítačů navíc. Zákazník tedy na zmenšování čipů a zhušťování počtu tranzistorů na nich vydělává. Z hlediska výrobců to však vypadá jinak: už po dvě desetiletí stagnuje cena čipů na cca 30 dolarech za 1 čtvereční inch (palec). Aby měl výrobce zisk, musel by zvýšit odbyt. Jenže k tomu by musel investovat do rozšíření výrobních kapacit a jejich modernizace, což zvláště v době, kdy trh IT stagnuje, není snadná záležitost. Pokud se tempo zvětšování počtu obvodů na čipech zpomalí, zpomalí se i zlevňování. A pokud bude muset výroba čipů a počítačů najet na jiné principy (viz dále), bude to znamenat citelné zdražení jak pro výrobce, tak pro uživatele, alespoň v první fázi nové technologie.

Výroba něco stojí, a to stále více
Zásadním problémem se vedle otázek technických stávají otázky finanční nákladnosti.
Když na prvním mikroprocesoru řrmy Intel, s označením 4004, inženýr Ted Hoff kontroloval tranzistory, stačila mu k tomu lupa, NU dnešní generace čipů měří tranzistory jenom 90 nanometrů, což je rozměr biologických virů! Organizovat kontrolu takovýchto miničástic, která je už technicky sama o sobě náročná, je velmi nákladná záležitost.. Jiný příklad nákladnosti výroby čipů: když Moore spoluzakládal Intel, stálo je potřebné zařízení k výrobě čipů cca 12 tisíc dolarů. Nyní stojí postavení provozu pro výrobu čipů minimálně 3 miliardy dolarů, jenom cena 1cskeneru je 20 milionů dolarů. Přitom cena jednoho tranzistoru klesla za stejnou dobu, tedy za cca 35 let, z 1 dolaru na 1 desetimiliontinu dolaru. Aby výrobce překonal toto rozpětí v nákladech a prodeji, musí dodávat čipů na trh více, což je v současném období stagnace na trzích IT obtížný úkol.

Co nás čeká?
Hodně věcí nasvědčuje prostě tomu, že platnost Mooreova zákona se po čtyřech desetiletích jeho úspěšné aplikace resp. potvrzování v praxi dnes už vyčerpává. Co tedy může nastat dále?
Jsou tři možnosti:
– proces miniaturizace čipů bude pokračovat stále stejným směrem, případně se ale
interval mezi čipovými generacemi prodlouží ze dvou let na delší období
– čipy vyráběné na bázi křemíku se začnou vyrábět na bázi jiného materiálu, tedy s jinými technickými charakteristikami – proces inovace čipů na křemíkové bázi bude pokračovat, ale na miniaturizaci už nebude kladen tak velký důraz, a inovace čipů budou zaměřovány na jiné aspekty Nyní se vyrábějí čipy s 1 miliardou tranzistorů, v příštím desetiletí (pokud se prosadí první ze zde uváděných variant) se už počítá s 1 bilionem tranzistorů na jednom čipu.První směr, tedy »čistá miniaturizace« i nadále, bude možný, pokud se pro ni rozhodnou jenom u největších výrobců čipů, jako jsou Intel, IBM, AMD či Infineon – přitom ale půjde také o zvyšování rychlosti funkcí a o úspornost. Pokud jde o druhý směr, ve stadiu vývoje jsou práce na čipech určených pro budoucí optické počítače, počítače na bázi DNA, molekulární počítače a kvantové počítače. Ty však zatím nepokročily příliš daleko. Třetí směr se zdá být relativně nejperspektivnější – nejde či nepůjde u něho (pouze) o miniaturizaci, nýbrž o jiné schéma čipu (design) a o hledání nových aplikací takovýchto budoucích čipů. Může jít též o kombinaci křemíkových integrovaných obvodů s jinými materiály (viz druhý směr).

Jak daleko je hranice?
V polovině 90. let minulého století existovala téměř výlučně pouze intelovská čipová architektura. Avšak do té doby se na trhu IT objevilo více než 50 dalších čipových architektur. Ty se zaměřují na zpracování obrazu, na tzv. ALU (Arthmetic Logic Unit) v procesorech, na kontrolu sítí, na kryptografii a na tzv. »mediové procesory« – ty vykonávají řadu početních úkolů při kopírování, v tiskárnách a při skenování 10krát rychleji než víceúčelové procesory. Ironií osudu je fakt, že i když Intel se stále slovy drží Mooreova zákona, v praxi se už také vydává třetím ze zmíněných směrů. Winfried Kaiser, vedoucí vývojový pracovník u firmy Carl Zeiss,říká. „S čipy jeto jako s letadly – od té doby, co trysková letadla začala přepravovat pasažéry, nejsou sice lety podstatné pohodlnější nebo rychlejší než předtím, ale jsou levnější. Concorde létal rychleji než zvuk, ale byl to příliš drahý exot. Nebyla to tak docela výjimka – letecký průmysl vložil miliardy dolarů např. do projektu Sonic Cruiser (firma Boeing), aby nakonec od tohoto projektu ustoupil, když si manažeři zvážili jeho komerční šance. A integrované obvody mají také někde svou »zvukovou hranici«.”
 

S INOVACÍ JSOU PROBLÉMY
Dlužno přiznat, že zvyšování počtu tranzistorů na čipu při jeho zmenšování se někdy stávalo i samoúčelným, resp. pro takto inovované čipy nebyl dostatečně velký odbyt. To byl případ serverových procesorů Itanium firmy Intel (3. generace, více než 400 milionů tranzistorů na čipu), který nalezl velmi malý odbyt. Mnozí profesionální uživatelé čipů ztrácejí zájem na miniaturizaci čipů a posuzují skutečné i údajné novinky v IT kritičtěji než dříve. Christoph Capellare, poradce pro IT ve firmě Ernst and Young, říká: „Raději zůstaneme u starého a osvědčeného. Jde přece hlavně o funkčnost, a ne o dodržování Mooreova zákona.”

KONEC ZÁKONA V DOHLEDU
Paul Packan v časopise Science vyslovil názor, že zákon zřejmě přestane platit před rokem 2020, jiní odborníci předvídají vyhasnutí platnosti zákona už kolem roku 2015. Sám Moore uznává, že skutečnost, že čipy jsou složeny z částic blížících se velikostem atomů, činí jejich výrobcům stále větší potíže, a že „během dvou až tří generací se tempo zdvojnásobování počtu obvodů na čipech může zpomalit až na pět let” (míněny jsou generace čipů, nikoliv lidská pokolení – pozn. autora). Připouští dokonce sám, že zákon nazvaný podle něho by mohl přestat platit už kolem roku 2014.

Rubriky:  Elektronika
Publikováno:
Další články autora
Právě v prodeji
Tip redakce

Související články

Festival Future Port Prague se uskutečnil v Holešovicích

Festival Future Port Prague se...

Ve čtvrtek 7. září se v prostorách Pražské tržnice v okolí SaSaZu...
1000x tenčí než lidský vlas, takový je nejtenčí holografický materiál

1000x tenčí než lidský vlas, takový...

Zajímavý kousek se podařil vědcům. Ti vyvinuli nejtenčí holografický materiál na...
Baterie s tekutým elektrolytem funguje i jako chladič

Baterie s tekutým elektrolytem...

S rostoucím výkonem procesorů stoupá i množství odpadního tepla, které...
Nový čip dostane rozpoznávání hlasu i do jednoduchých zařízení

Nový čip dostane rozpoznávání hlasu...

Současné technologie rozpoznávání řeči jsou postavené na speciálním softwaru, což je...
Systém Galileo čelí vážným problémům

Systém Galileo čelí vážným...

Evropský navigační systém Galileo, jehož administrativní centrum sídlí v...
Explozím baterií v mobilech zabrání hasicí systém

Explozím baterií v mobilech...

Naprostá většina spotřební elektroniky používá  Li-Ion baterie, které...
Chytré hodinky ví, že jste nemocní dřív, než vy

Chytré hodinky ví, že jste nemocní...

Chytré hodinky si zatím nezískaly takovou oblibu jako chytré telefony a...
Oko do hlubin vesmíru

Oko do hlubin vesmíru

Hubbleův vesmírný dalekohled (HST, Hubble Space Telescope) je dalekohled na...
Solární články ve spreji

Solární články ve spreji

Chemičtí inženýři z univerzity v Austinu v Texasu v USA přišli s neobvyklým...
Jazyk dokáže řídit vozík

Jazyk dokáže řídit vozík

Konstruktéři se snaží vyvinout takový invalidní vozík, který by mohli...

Nenechte si ujít další zajímavé články

Neuromarketing: Nový obor pronikající do lidských mozků!

Neuromarketing: Nový obor...

Volební kampaně jsou po celém světě čím dál víc agresivní. Reklamní agentury...
Pátrání po temné stránce vesmíru: Zatím neúspěšný lov!

Pátrání po temné stránce vesmíru:...

Einsteinova teorie relativity otevřela dveře do širokého vesmíru, teorie...
Záhadná invaze do Anglie: Kde se vzala u britskému pobřeží těla německých vojáků?

Záhadná invaze do Anglie: Kde se vzala u...

Rok 1940 nevěstil pro budoucí vývoj světa nic moc dobrého. Dvě...
Ruský Hamlet: Pavel I. nadával ministrům do hlupáků!

Ruský Hamlet: Pavel I. nadával...

Car chodí spát se slepicemi, a tak už v osm hodin večer musí být...
Hrozivé riziko wi-fi signálu: Co všechno nám můžou hackeři ukrást?

Hrozivé riziko wi-fi signálu: Co...

Bezdrátový přístup k internetu je dnes k dispozici v hotelech, na...
Unikátní hříčky přírody! Sněhobílý aligátor, žirafa i klokan

Unikátní hříčky přírody! Sněhobílý...

Zbarvení je jejich prokletím. V přírodě jsou natolik nápadní, že se stávají...
Peníze, drogy a smrt: Kdo byli nejbohatší drogoví dealeři? 

Peníze, drogy a smrt: Kdo byli...

Lesk zlata, na zakázku vyrobené zbraně a především obrovská moc, na kterou mnozí...
Laponská válka: Kterak se Finové pustili do křížku s Němci!

Laponská válka: Kterak se Finové...

V září 1944 bylo již jen otázkou času, kdy nacistické Německo prohraje...
Kreacionismus kontra evoluce: Stvořil Bůh člověka?

Kreacionismus kontra evoluce:...

Biblická kniha Genesis popisuje stvoření světa jasně: „Na počátku Bůh...
Poznejte své IQ

Poznejte své IQ

V našem profesionálně sestaveném testu ihned zjistíte přesné výsledky a obdržíte certifikát.