Nanotranzistor způsobí převrat v elektronice

Karel Javůrek  |  Technika
Zdroj: University of Pittsburg

Vědcům se podařilo vytvořit extrémně malý 1,5nm tranzistor, který pracuje pouze s jediným elektronem. To by mohlo umožnit stavbu velmi výkonných počítačů, pamětí, elektroniky i materiálů.

Na exponenciální technologický vývoj jsme si už zvykli a ani nám nepřijde, že počítače s výkonem bývalých velkých sálových počítačů s obrovským elektrickým příkonem vlastně už nosíme běžně v kapse. Na malou baterii vydrží i několik dnů. Mění se nároky a mění se také potřeba výkonu.

Stále náročnější aplikace vyžadují stále vyšší výkon a nejlépe je to vidět na počítačích a mobilních zařízeních. Jejich čipy jsou složeny z miliard tranzistorů, které v současnosti měří 25 nm (paměti SSD) až 32 nm (procesory). V brzké době se ale objeví první 22nm desktopové procesory a technologie jednodušších pamětí klesne pod hranici 20 nm.

I tranzistory mají ale svá omezení. Snaží se jim vyhnout výzkum extrémně malých tranzistorů, které pracují s jedním nebo dvěma elektrony.

SketchSET: pouze jeden elektron

Výzkumníci z Pittsburgské a Wisconsin–Madison univerzity dosáhli spolu s inženýry z HP Labs velmi důležitého milníku. Podařilo se jim navrhnout tranzistor, který je extrémně malý a pracuje pouze s jedním či dvěma elektrony.

I když tranzistor měří pouze 1,5 nm, pracuje na podobném principu jako běžné tranzistory, jejichž základní funkcí je schopnost izolovat nebo propouštět elektrické napětí. Tranzistor musí být schopný fungovat ve dvou různých stavech dle potřeby a tvořit tak logické obvody.

Na následujícím obrázku jsou vidět tři vodiče (zeleně), které směřují do prostřední zelené části. Podle stavu na jednom ze tří vodičů tak dojde k přechodu elektronu přes středový blok z jednoho vodiče na druhý, nebo naopak k izolaci, kdy se elektron z jedné části nedostane přes prostřední blok k té druhé.

Zdroj: University of Pittsburg
Průřez novým tranzistorem. Zdroj: University of Pittsburg

Podle Jeremy Levyho, vedoucího tohoto projektu, je takový tranzistor velmi citlivý na změnu elektrického náboje. Jednou z jeho vlastností je i feroelektrický jev, který může znamenat velký význam i v oblasti pamětí. Díky němu totiž dokáže tranzistor uchovat stav i po odpojení elektrické energie. Tranzistor je tak schopen uchovat stav 1 nebo 0.

Výsledkem by tak mohly být paměti s obrovskou kapacitou a výkonem, které udrží data i po odpojení napájení, podobně jako SSD. Taková paměť by spojovala vlastnosti všech dnešních částí počítače: operační paměti, SSD a pevného disku.

Výroba použitelných tranzistorů tohoto typu je sice daleko, ale určitě se nejedná o desítky let, ale jen o jednotky. Vývoj má před sebou ještě řadu problémů, ale vzhledem k možnostem využití se o tento typ tranzistoru a technologii samotnou zajímají přední výzkumné agentury, včetně vojenského ústavu DARPA a dalších. Tyto agentury výzkum v minulosti již finančně podpořily a v budoucnu tomu jistě bude i nadále.

Supervýkonné kvantové procesory

Malé rozměry tranzistorů s velmi malou spotřebou přinesou nové možnosti v oblasti tvorby běžných i kvantových procesorů, včetně nových druhů pamětí. Mooreův zákon stále platí, složitost čipů se stále zdvojnásobuje a díky takovým technologiím by mohl tento zákon platit ještě dlouhou dobu.

Počet tranzistorů v čipech stále dodržuje Moorův zákon. Zdroj: Wikipedia
Počet tranzistorů v čipech stále dodržuje Moorův zákon. Zdroj: Wikipedia

Exponenciální růst lze ale pozorovat u všech technologií a různých vlastností, jako například kapacita, počet tranzistorů v čipu nebo celkový výkon čipů. Během příštího desetiletí by se proto měly objevit tak výkonné počítače, které budou schopny změnit náš další vývoj ve všech různých oblastech vědy a výzkumu. Díky většímu výkonu, který je nutný pro analýzu a simulace, dokážeme další generace technologií vynalézt rychleji a takto lze postupovat až k nekonečně rychlému vývoji, jak předpovídá technologická singularita.

Také kapacita pevných disků roste exponenciálně. Zdroj: Wikipedia
Také kapacita pevných disků roste exponenciálně. Zdroj: Wikipedia

Od vzniku prvního počítače nikdy nenastal technologický problém, který by se nedal vyřešit. Lze to pozorovat například u elektronky a prvních elektronkových počítačů. Její velikost se postupem času zmenšovala tak, až dosáhla kriticky malé hranice. Poté již nebylo možné vyrobit vakuovou baňku o tak malých rozměrech. Místo toho tedy přišla éra tranzistorů a integrovaných obvodů, které nepotřebují vakuum a bylo možné je stále zmenšovat a vylepšovat. To pokračuje stále stejným tempem až do dnešní doby.

Také tranzistor pravděpodobně dosáhne svých fyzikálních limitů. To ale pouze znamená, že se přejde na zcela jinou technologii, která bude pokračovat ve stále zrychlujícím se technologickém vývoji a honbě za výkonem s menším množstvím potřebné energie.

Nejčtenější

Další weby Mladé fronty