Výkon mikroprocesorů se dramatickým způsobem zvětšuje už prakticky půl století. Na křemíkový čip se vejde stále více mikroskopických tranzistorů, jenže i miniaturizace má své meze. Vědci ale věří, že i s tím se dokážou vypořádat.
Až překvapivě dlouho platí pravidlo, označované jako Moorův zákon. Tvrdí, že výkon polovodičových čipů se zdvojnásobí přibližně každé dva roky. I jeho platnost musí ale dříve nebo později narazit na limity dané vlastnostmi hmoty. Aby se neustále zvětšoval výkon a hustota prvků na mikročipech, musí se zmenšovat velikost jejich vodivých drah i aktivních členů. „Zatím jsme stále ještě nenarazili při zmenšování tranzistorů na nepřekonatelnou hranici,“ prohlásil před časem dr. Robert Chau, ředitel výzkumu tranzistorů skupiny vývoje logických technologií společnosti Intel. „Rychlost vývoje křemíkových komponent se nezpomaluje, ale naopak zrychluje.“
To ale rozhodně neznamená, že taková hranice neexistuje. Zatím mají nejpokročilejší křemíkové tranzistory velikost asi 50 mikronů (pro srovnání, virus je velký asi 100 nanometrů, tedy 500krát menší). Až se zmenší na přibližně 16 nanometrů, začnou se chovat podle pravidel kvantové mechaniky, což znamená, že přestanou fungovat. Většina odborníků soudí, že k tomu dojde za 10 až 15 let.
Jenže výrobci čipů se s tím nehodlají smířit. Zcela v duchu hesla „Moorův zákon si rozvracet nedáme“ vynakládají nemalé prostředky na výzkum, který by měl přenést počítačové technologie i přes hranici možností křemíkové technologie.
Když mocná Asociace amerických výrobců polovodičů zahajovala výzkum směřující k využití nanotochnologií pro výpočetní techniku, její šéf George Scalise zarputile pronesl: „Nesmí nás ani napadnout, že bychom se do toho nepustili““
Náhrada za křemík?
Křemík ale možná ztratí svou prioritu pro výrobu čipů ještě dřív, než dospěje k hranicím svých možností. Řada výzkumných pracovišť se jej snaží nahradit jinými polovodiči, které by měly lepší vlastnosti při srovnatelných rozměrech elektronických prvků. Jako perspektivní se jeví například indium galium arsenic (InGaAs), materiál, jímž elektrony „cestují“ mnohokrát rychleji než křemíkem.
Významný úspěch v této oblasti ohlásil v prosinci minulého roku Massachusetts Institute of Technology (MIT). „Na každého z nás dnes pracují miliardy miniaturních tranzistorů, aniž bychom si to uvědomovali. Nejen my, ale i mnoho dalších výzkumných pracovišť po celém světě hledá materiál, který by nahradil křemík,“ prohlásil Jesus del Alamo z MIT. „Jen tak bude možné elektronická zařízení dál zmenšovat a zdokonalovat. Pokud se to nepovede, celá počítačová revoluce, která tolik ovlivnila naše životy, se zastaví.“
Když si s tím ještě trochu pohrajeme…
Odborníkům z MIT se podařilo sestrojit tranzistor na bázi InGaAs, který je velký pouhých 60 nanometrů, přitom však pracuje dvaapůlkrát rychleji než jeho křemíková obdoba a spokojí se s napájecím napětím 0,5 voltu.
„Sestrojení takového tranzistoru je významný předěl na cestě k menším a výkonnějším elektronickým prvkům,“ prohlásil Robert Chau, ředitel výzkumu tranzistorů a natotechnologií ve společnosti Intel, která výzkum v MIT financovala.
Mnozí odborníci ale upozorňují, že pro zavedení technologie do praxe zbývá ještě vyřešit mnoho problémů. Zatímco křemík je jedním z nejrozšířenějších prvků na Zemi, InGaAs je látka, jejíž výroba je zatím mnohem dražší. Výhodou naopak je, že pro výrobu mikročipů bude možné používat prakticky stejné postupy jako u křemíku. Jesus del Alamo v této souvislosti konstatoval, že dotažení výzkumu do prakticky využitelné podoby je otázkou nejméně dalších dvou let. Komerční využití očekává v příštím desetiletí. „Když si s tím ještě trochu pohrajeme, věřím, že křemíkovou technologii překonáme a mikroelektronická revoluce bude pokračovat,“ prohlásil del Alamo.
Svitla nová naděje!
Ale i exotické polovodiče jednou narazí na hranice kvantové mechaniky. Někteří odborníci soudí, že ve světě za ní se budeme moci pohybovat právě s využitím těch zákonů, které tam nepustí dnešní tranzistory. V takových obvodech už neponesou informaci elektrické náboje, jako je tomu dnes, ale třeba světlo (přesněji řečeno fotony), nebo spin elektronů.
Spin je vlastnost elementárních částic, která v našem makrosvětě nemá fyzikální obdobu. Každá elementární částice se svým způsobem chová jako miniaturní setrvačník, který rotuje kolem své osy a spinové číslo (každý typ částic charakterizuje jeho spinové číslo) udává počet možných orientací osy. Kladná nebo záporná hodnota určuje směr rotace. Pokud by bylo možné kontrolovat a měnit spin elektronů, mohla by vzniknout zařízení, která by dokázala zpracovávat data nesrovnatelně rychleji.
Dá se to použít v praxi?
Už před několika lety se objevily první návrhy na realizaci takových prvků. Boldizsár Jankó a jeho kolegové z University of Notre Dame v americké Indianě zveřejnili svou představu o tom, jak by bylo možné tuto teoretickou představu naplnit prakticky. Studovali vlastnosti sloučeniny galia a arsenu a zjistili, že pokud se „znečistí“ malým množstvím atomů manganu, získají polovodivý materiál, který přitom lze zmagnetizovat stejně dobře jako obyčejné železo.
Věří, že pokud by se podařilo velmi tenké vrstvy tohoto materiálu proložit vrstvami izolátoru a supravodivého materiálu, bylo by v nich možné působením vnějšího magnetického pole vytvářet jakési nanotrubice s velmi silnými magnetickými poli uvnitř. To ovlivňuje spin elektronů, přičemž výsledný spin v každé takové trubici by mohl být nosičem informace. Prvky by mohly být zárodkem technologií vedoucích k supervýkonným čipům velikosti molekul.
Čeká nás nová revoluce?
„Je to podobný efekt, jako když na papír vysypete železné piliny a dáte pod něj magnet,“ objasňuje princip Janko. „V tomto případě jsou magnetem magnetické nanotrubice a orientace pilin znázorňuje spin elektronů. Při přiblížení magnetu se piliny seřadí podle siločar, a když magnetem pod papírem pohybujete, změní se i jejich orientace. Podobným způsobem můžeme ovlivňovat spin elektronů v našich vrstvách. Například průtokem proudu skrz supravodivou vrstvu vyvoláme vznik nanotrubic orientovaných určitým směrem a určitý spin elektronů. Když směr proudu obrátíme, dostaneme jinou orientaci a jiný spin.“
Janko a jeho tým zatím simulovali děje v nanovrstvách pouze na počítači, v nejbližší době však chtějí přejít k laboratorním experimentům. Pomalu vzniká celé nové odvětví, které dostalo název spintronika. Mnozí věří, že přinese stejnou revoluci jako kdysi elektronika.
Neviditelné mrakodrapy
Jako velmi perspektivní se pro výrobu elektronických prvků budoucnosti jeví uhlíková nanovlákna – trubicovité struktury s průměrem jen několik málo nanometrů. Začleňováním jiných atomů do jejich struktury lze měnit jejich elektrické vlastnosti včetně dosažení supravodivosti.
Problém pro jejich využití zpočátku představovala skutečnost, že při jejich výrobě nekontrolovaně vznikala směs trubic s vlastnostmi obyčejného vodiče a polovodivých trubic. Když roku 2001 odborníci z IBM vyvinuli metodu, jak z nich „vyřídit“ pouze polovodivá vlákna, perspektivy využití v mikroelektronice se otevřely naplno.
Jednou z cest, vedoucích k vývoji tranzistorů nové generace, může být technika pěstování uhlíkových nanotrubic, kontrolovaně rostoucích z křemíkové podložky. Tu již odborníci z Purdue University v USA vyvinuli. Svislá orientace umožní budovat složitější elektronické obvody než dosud. „Je to vlastně jakási obdoba mrakodrapu na úrovni atomů,“ objasňuje vedoucí projektu Timothy S. Fischer. „I v tomto případě svislá orientace staveb dovoluje na stejnou plochu umístit víc. Tentokrát to ovšem nejsou patra, ale elektronické obvody. Pokrok je v tom, že dříve jsme o využití nanotrubic v elektronice jen přemýšleli, zatímco nyní už se učíme, jak je dostat tam, kde je potřebujeme mít.“
100x menší než průměr vlasu
Vědci nejdříve pomocí postupů běžných při výrobě polovodičů na křemíkovém podkladu vytvořili tenké sendvičové vrstvy hliníku, obklopující ultratenkou vrstvu železa. Za pomocí elektrického napětí pak ve vrstvách vytvořili pole přesně uspořádaných otvorů, jejichž průměr je 100x menší než průměr lidského vlasu. K takto vzniklé pórovité destičce pak přivedli směs metanu a vodíku, z níž pod vlivem mikrovlnného záření a za přispění katalytických schopností železa začaly v pórech hliníku růst nanotrubice. Celý proces je velmi rychlý, otvory, z nichž každý má průměr od 30 do 50 nanometrů, vzniknou během několika sekund. Uhlíkové nanotrubice v nich pak vyrostou za pár minut.
Originální nápad
Hliníkové vrstvy s nanootvory již předtím vyráběla jiná vědecká pracoviště, ale přidání vrstvy železa je originální myšlenka Mathewa Maschmanna, jednoho z členů výzkumného týmu. „V každém otvoru vyroste jen jedna nanotrubice,“ upřesňuje další z autorů, Timothy D. Sands. „Díky tomu můžeme začít uvažovat o kontrolovaném pěstování těchto útvarů a o jejich uspořádání do vertikálních struktur pro elektronické obvody nových generací.“
Vědci touto cestou vytvořili jak jednostěnné nanotrubice, tak i trubice, jejichž stěny tvořily dvě vrstvy uhlíkových atomů. Další výzkum se zaměří na kontrolované pěstování jen jednovrstvých nebo jen dvouvrstvých trubic. Vertikální nanoobvody by se měly nejdříve uplatnit v radarové technice a v bezdrátových počítačových sítích, později se předpokládá vznik nových typů tranzistorů i celých obvodů.
Někteří badatelé ale jdou ještě dál, chtějí jako tranzistory a další logické prvky využít jednotlivé atomy. Nejblíže se tomuto cíli zatím přiblížili výzkumníci z IBM, kterým se daří za pomoci manipulace tunelovacím mikroskopem sestavovat elektronické prvky z několika málo atomů.
Zrození tranzistoru
Vznik elektroniky umožnily už na počátku 20. století vakuové elektronky, které však byly velké, náročné na spotřebu a nespolehlivé. Roku 1928 vypracoval německý vědec Julius Lilienfeld teorii, podle které mohly stejné děje probíhat i v pevných látkách.
O pár let později přivedl tuto teorii blíž k praxi německý fyzik Walter Schottky, který si uvědomil, že látky s potřebnými vlastnostmi je třeba hledat především mezi polovodiči. Jenže krátce na to v Evropě vypukla válka a výzkum se zde buď zcela zastavil, nebo se zaměřil spíše na válečné využití známých principů než na hledání nových.
Vývoj však neustal za mořem v USA, kde se v Bellových laboratořích zabývali zkoumáním polovodičů už od 20. let. Roku 1947 zde tři vědce (Johna Bardeena, Waltra Housera Brattaina a Williama Shockleyho) napadlo spojit tři polovodivé vrstvy s odlišnými typy vodivosti – vznikl trnazistor. Za „oficiální“ datum jeho zrodu se považuje 22. prosinec 1947. Vynálezci dostali za svůj objev Nobelovu cenu roku 1956.
