Budoucnost počítačových čipů: od tranzistoru k mozku

Datum 26.09.2021

foto: Laura Ockel, Unsplash

Vývoj počítačových procesorů se už desítky let řídí pravidlem, kterému se poněkud nadneseně říká Moorův zákon. V polovině 60. let minulého století ho formuloval Gordon Moore, americký vynálezce, podnikatel a spoluzakladatel společnosti Intel. Tehdy předpověděl, že počet tranzistorů v integrovaném obvodu se každým rokem zdvojnásobí při zachování stejného rozměru i ceny. Současně tvrdil, že pravidlo bude platit asi deset let – jenže s menšími modifikacemi (dnes to místo jednoho roku jsou dva) už vydrželo půl století. A skoro stejně dlouho se odborníci dohadují, kdy narazí na fyzikální bariéry znemožňující další miniaturizaci tranzistorů, a tedy i čipů a počítačů.

Dnešní počítačové mikročipy se konstruují na bázi křemíku, zdálo by se tedy, že je snadné odhadnout, jaký nejmenší tranzistor může křemíková technologie nabídnout. Ale i tady se hranice posouvají: zatímco kdysi vědci věřili, že pod hranici 20 nanometrů už to nepůjde, dnes mají přední IT společnosti technologie pro výrobu čipů s tranzistory o velikosti 5 nanometrů a pro nejbližší roky plánují 3 nanometry. Pro srovnání: průměr lidského vlasu se pohybuje okolo 50 000 nanometrů.

O moc dál to ale s křemíkem nejspíš nepůjde, protože při menších rozměrech principy kvantové mechaniky nedovolí, aby šlo tranzistor přepínat mezi stavy zapnuto a vypnuto (logická 1 a logická 0), což je to, co se po tranzistoru v mikročipu chce. Vědci proto zkoumají potenciál jiných materiálů. Například v Národní laboratoři Berkeley v Livermore (Kalifornie) zkusili bisulfid molybdenu (MoS2), který se běžně používá do mazacích a odrezovacích prostředků (u nás známý MD sprej). Podařilo se jim tak vytvořit tranzistor velký jeden nanometr.

Ještě dál se dostal tým Thomase Schimmela z Technologického institutu Karlsruhe, který sestavil tranzistor o velikosti jediného atomu, což je dosavadní rekord v miniaturizaci. Jde o kovové kontakty mezi nimiž je možné pomocí elektrického řídicího impulsu opakovaně umisťovat a odebírat atom stříbra, a tak docilovat stavy “zapnuto” a “vypnuto”. Na rozdíl od obdobných experimentů jiných pracovišť, zařízení v Karlsruhe nevyžaduje teploty blízko absolutní nuly, ale pracuje při běžné pokojové teplotě. Má také minimální spotřebu energie a jeho tvůrci věří, že na tomto principu půjde zvyšovat množství spínacích prvků na čipu až stotisíckrát oproti křemíkové technologii. Od jednoho laboratorního vzorku k praktickým aplikacím je ale ještě daleko.

Při udržování Moorova zákona na živu vzbuzují velké naděje především nanotechnologie založené na uhlíkových strukturách označovaných jako grafeny. Jde o jednoatomové vrstvy atomů uhlíků uspořádané do šestiúhelných struktur podobných včelím plástvím. Do struktur lze zabudovávat jiné atomy a tím měnit jejich elektrické vlastnosti, nebo je “svinovat” do nanotrubic o průměru jediného nanometru, přičemž vazby mezi uhlíkovými atomy jim dodávají mimořádné elektrické a fyzikální vlastnosti (mimo jiné menší elektrický odpor než měď).

Teoretické modely grafenových tranzistorů vznikly už koncem 90. let minulého století, ale první funkční model vytvořil až roku 2016 tým vědců z Univerzity ve Wisconsin -Madison a Univerzity ve Wisconsin – Platteville vedený Michaelem Arnoldem. Podařilo se jim docílit vysoké čistoty a řízeného přidávání příměsí na přesně určená místa uhlíkové nanostruktury “pěstováním” nanotru- bic v roztoku polymeru.

Od té doby vzniklo několik koncepcí uhlíkových tranzistorů a v loňském roce vědci z Massachusettského technologického institutu (MIT) vytvořili z 14 000 těchto jednotek šestnáctibitový mikročip. Může vykonávat stejné úkoly jako klasické mikroprocesory, což jeho tvůrci předvedli příkazem k vytištění textu “Ahoj světe! Jsem RV16XNano, vyrobený z CNT (karbonových nanotrubic).”

Jiné cesty ke zvyšování výkonu vedou přes opuštění dosavadní architektury počítačů a jejich nahrazení jinými principy. Velké naděje vzbuzují kvantové počítače, které nepracují s bity nabývajícími podoby “jedna” nebo “nula”, ale s qubity, které mohou nabývat jakýchkoliv hodnot mezi jedničkou a nulou. Praktická realizace ale zatím naráží na řadu problémů.

Jinou možností je napodobení funkcí lidského mozku prostřednictvím vytváření tzv. neuronových sítí. Současné výkonné počítače sice umí jejich funkce emulovat ve své klasické architektuře, ale počítač imitující mozek by mohl být menší, rychlejší a energeticky méně náročný – ovšem k poznání mozku v jeho úplnosti má zatím věda ještě velmi daleko.

Jan A. Novák