Tranzystory są nieodłącznym elementem każdego mikroukładu. Niezależnie czy ten trafia do komputera, czy smartfona, ma on w sobie miliony, a nawet miliardy tych elementów. Producenci czipów pracują, aby je jak najbardziej zmniejszyć – co rok słyszymy, że wychodzi procesor w mniejszych litografiach – 7, 6, czy 5 nm, jednak ich budowa nie ulega zmianie, a jedynie tylko rozmiar. Co ciekawe, nowy typ tranzystora mógłby w znacznym stopniu ograniczyć użycie energii na całym świecie – nawet o 5%.
Nowy typ tranzystora mógłby zmniejszyć zużycie prądu
Jak wiadomo, producenci mikroukładów – TSMC czy Samsung – serwują nam czipy wyposażone w coraz mniejsze tranzystory. Gordon Moore, czyli jeden z założycieli Intela, opracował empiryczne prawo Moore’a, które mówi, że liczba tranzystorów w półprzewodnikach podwaja się co określony odcinek czasu. Początkowo było to 18 miesięcy (teraz to 24 miesiące), jednak w tych czasach wykorzystywano litografie na poziomie kilku μm (mikrometrów), potem w latach 90. procesory były wytwarzane w procesie litograficznym 1 μm, aż doszliśmy do etapu, gdzie wielkość tranzystorów nie zmniejsza się już tak dynamicznie.
Dla przykładu w latach 1995 – 2000 zredukowano proces produkcyjny z 0,68 μm do 0,18 μm – mamy tu różnicę 500 nm. Jak na obecne czasy to kosmiczny skok, bowiem dla przykładu w roku 2012 mikroukłady były produkowane w 22 nm, trzy lata później w 14 nm, a dzisiaj w 2022 roku mamy procesory wytwarzane w 4-nm procesie technologicznym. Dziesięć lat ewolucji zredukował proces litograficzny „tylko” o 18 nm – jak widać, fizyka ma pewne bariery.
Jak widać, prawo Moore’a nie jest już aktualne – porównując dwa mikroukłady Qualcomma, czyli Snapdragona 865 (7 nm) z 10 miliardami tranzystorów i Snapdragona 8 Gen 1 (4 nm) z 15 miliardami jednostek, dochodzimy do wniosku, że każdy z każdym rokiem różnice będą się pomniejszać.
Naukowcy tłumaczą, że zmniejszenie litografii poniżej 1 nm sprawiłoby, że tranzystor mógłby nie być w stanie odprowadzić odpowiedniej ilości ciepła. Fizycy z całego świata poszukują rozwiązania problemu i, jak się okazuje, mogą być na dobrej drodze.
Tranzystor nowego typu, opisany w czasopiśmie Advanced Materials, miałby sprawić, że do budowy czipów wystarczyłoby 75% mniej jednostek, które zmniejszyłby światowe zapotrzebowanie na energię o 5%. Do jego budowy potrzebny jest grafen pokryty magnetoelektrycznym tlenkiem chromu, aby stworzyć jednostkę opartą o spintronice. Tego typu rozwiązanie umożliwiłoby zamianę zależności ładunków elektrycznych na spiny, które wskazują dwa kierunki górę lub dół – podobnie do ładunku określanego jako 0 lub 1.
A co to właściwie oznacza? W praktyce nowe rozwiązanie ma gwarantować wysoką wydajność, a także niskie koszty. Za techniką przemawia fakt, że mikroukłady byłby wyposażone w mniejsze ilości tranzystorów – przez co mogłyby być tańsze w produkcji. Ważniejsze jest jednak to, że konsumowałyby mniej prądu.
Czy grafenowe procesory zastąpią krzem? Czas pokaże.
