Транзисторы и смерть закона Мура [2veritasium]
Вот сайт с шаурмой. Works.
Если сильно упрощать, транзистор – это своего рода переключатель, который управляет электричеством. Он может, среди прочего, замыкать и размыкать цепь. Нас интересуют два участка на кремниевой подложке. Я нарисую их так: эти участки принято называть исток и сток. Исток и сток, из чего не они сделаны из кремния, но легирование примесями, грубо говоря, делает его как бы металлом.
Чего мы хотим добиться? Нам надо добавить хорошо очищенную примесь, скажем, фосфор. Он даст много донорных электронов, в результате чего в кремнии появляется много свободных электронов. Снизу везде кремний, но вот эти участки легированные примесями, от чего они больше похожи на металл. Итак, нам нужны два контакта и переключатель посередине.
Теперь разберемся, как собственно переключать. Для этого здесь у нас должны быть контакты. Нужен инструмент, управляющий переключением, механизм вроде вашей руки, точнее пальца, на сжимающего на выключатель. Нам понадобится еще один электрод, подойдет из металла или опять же из хорошего полупроводника, который изолирован от других электродов слоем диэлектрика. Он называется затвор. Если схему не трогать, смотрите: здесь и здесь как бы металлический кремний, а в середине крем необычный. Так никуда не пойдет, цепь разомкнута, нет проводящего канала.
Если же сюда подать положительное напряжение, скажем, с батареи, пусть будет два вольта, что произойдет? Смотрите: тут у нас плюс, положительный потенциал, начнет притягивать электроны снизу. Здесь у нас кусок металла с положительным потенциалом, у электронов заряд отрицательный, поэтому они начинают притягиваться. Они накапливаются под слоем диэлектрика, пусть это будет диоксид кремния, и в какой-то момент они образуют тот самый проводящий канал, соединяющий исток со стоком. Итак, вы замкнули переключатель. Света не было, вы нажали в кхл и включили свет. Но здесь нет двигающегося рычажка или кнопки, все делается с помощью напряжения на электроде.
Были времена, когда размер подобных устройств был порядка нескольких микрон. Кстати, размер транзистора — это расстояние от истока до 100к. Вот она, плюс, контакты — это необходимый минимум пространства для размещения транзистора. Это самый удобный метод измерения, чтобы понять, сколько места на интегральной схеме будет занимать транзистор. Зная размеры схемы, можно понять, сколько их туда влезет. Так вот, стародавние времена их делали размером в несколько микрон — это тысячные доли миллиметра.
Закон мура гласит, что вот этот размер… вообще есть много вариаций на эту тему. Самое известное, наверное, число транзисторов на чипе удваивается каждые полтора года. То есть чем меньше размер транзисторов, тем больше их поместится на чип. Закон экспоненциальный значит размер должен уменьшаться по экспоненте. Давайте построим график зависимости размера транзистора от года. У меня под рукой нет точных цифр, но да ладно, я сделаю по памяти.
Итак, 70-е, 80-е, 90-е, нулевые, 10-е. Тут, конечно же, логарифм. График был бы таким: сейчас у нас 2013 год, и размер составляет 22 нанометра. То есть расстояние от истока до 100к транзистора — 22 нанометра. Чтобы вы лучше понимали масштаб, между истоком и стоком всего 50 атомов кремния. Мы работаем в масштабах атомов, причем не в каком-то уникальном научном приборе, а в самых обычных мобильных и домашних компьютерах.
Сколько сейчас транзисторов на одном чипе? Около миллиарда. Смотря где — четырехъядерных процессоров на хороших компьютерах где-то 1-2 миллиарда транзисторов. Почему их число так важно? Потому что они – основы вычислительной мощности. От них зависит, сколько операций одновременно выполняет компьютер, в каком качестве вы можете смотреть видео на своем телефоне, насколько сложные вычисления осилит ваш компьютер, с какой точностью. От этого зависит и детальность изображения, и обработка слов. Все, что мы делаем на компьютере, размеры будут уменьшаться бесконечно.
Дело в том, что работа транзистора зависит от того, сможем ли мы эффективно останавливать электроны. При таком крошечном расстоянии между электродами с развитием технологий эти два разделенных переключателем электрода сближаются все сильнее и сильнее, но нужно по-прежнему как-то блокировать контакт между ними. В какой-то момент вмешивается квантовая механика. Мы ведь знаем, что несмотря на потенциальные барьеры между электродами, электрон все равно может проскочить из-за эффекта квантового туннелирования: он как бы проходит сквозь стену, и вероятность этого события зависит от высоты барьера.
Главная сложность создания таких ультра крохотных транзисторов в том, что нужно создать такой потенциальный барьер, чтобы он был достаточно высоким и при этом очень тонким, и не пропускал ток. Гудок 25. Расстояние между электродами уменьшится до трех-четырех атомов. Мне даже представить трудно, как можно справиться с этим квантовым эффектом. Можно сказать, что на сегодня главная проблема передовой микроэлектроники — вернее, уже наноэлектроники — в том, чтобы соблюдать закон мура.
Если мы хотим, чтобы транзисторы могли работать подобно бытовым выключателям, то нам придется как-то обойти ограничения квантовой механики. А иначе электрон будет проходить сквозь любые барьеры, которые мы умеем ставить. Такого техническая задача – избегать квантовых эффектов. Верно? Но ваша задача другая: вы хотите их использовать.
Да, мы ищем новый способ следовать закону муром. Мы хотим построить принципиально иное устройство, которое не будет вписываться в эволюцию существующей компьютерной техники. Это совершенно иная вычислительная машина. Она, напротив, использует квантовые эффекты для экспоненциального увеличения вычислительной мощности. Ей потребуется для этого всего несколько бит — не квантовых бит, то есть кубит. Именно так переведено и озвучено студией Арт Дайдар.