Tranzistor o velikosti pouhého atomu

Karel Javůrek  |  Věda

Vědcům se podařilo vyrobit funkční tranzistor, který je tvořen pouze jedním jediným atomem. Manipulace se základními kameny hmoty je možná díky pokročilé nanotechnologii.

Nanotechnologická doba skrývá netušené možnosti. Umožní stavbu materiálu a vlastně jakékoli hmoty, jež ani nemusí mít reálný základ na Zemi nebo dokonce ve vesmíru.

Čipy všech elektronických zařízení jsou již několik desítek let tvořeny tranzistory. Od jejich objevu vědci tento prvek stále zmenšují a na malou plochu umísťují čím dál více tranzistorů. Jaké má tento vývoj, který se řídí Moorovým zákonem následky, jistě pociťuje každý na výkonu elektroniky kolem nás. Mooreův zákon tvrdí, že složitost čipů se přibližně každých 18 měsíců zdvojnásobí.

Nyní jsme opět dál, protože vědcům z několika univerzit se společně podařilo cíleně vyrobit prvek s vlastnostmi tranzistoru, který je tvořen pouze jediným atomem.

Jeden atom fosforu (modrá kulička) je pečlivě a velmi přesně umístěn na povrch z křemíkových krystalů. Elektrický proud postupuje od elektrody source (S) k elektrodě drain (D) v případě, je-li mezi elektrodami gate (G) potřebné napětí.
Jeden atom fosforu (modrá kulička) je pečlivě a velmi přesně umístěn na povrch z křemíkových krystalů. Elektrický proud postupuje od elektrody source (S) k elektrodě drain (D) v případě, je-li mezi elektrodami gate (G) potřebné napětí. Obrázek není v měřítku. Ve skutečnosti je mezi atomem fosforu a elektrodami D/S několik desítek řad atomů křemíku a více než sto křemíkových atomů mezi fosforem a elektrodami G.

Čím dál menší

Komplexnost logických soustav se již velmi rychle blíží ke schopnostem mozku. Počítač již dokázal porazit lidský mozek v šachách i v záludné otázkové hře Riskuj. Další potupy lidského ega jistě nemusíme připomínat.

Současné čipy jsou vyráběny přibližně 20nm technologií. V laboratořích Intelu již dokonce testují 14nm čipy, které by měly na trh dorazit kolem roku 2016. V polovině minulého roku jsme psali o nanotranzistoru s velikostí 1,5 nm, který pracuje pouze s jedním elektronem, jeho simulovaná konstrukce je ale tvořena spousty atomů. Jednou z novějších zpráv byl objev společnosti IBM, které se podařilo uložit jeden bit s použitím pouhých dvanácti atomů.

Jeden atom = jeden tranzistor

Postupné zmenšování a manipulace v mikrosvětě se ale dočkalo hranice, která už znamená konfiguraci a přemisťování samotných atomů. Prvek, který se chová jako tranzistor, je díky úsilí vědců z několika univerzit po celé světě tvořen pouze jediným atomem.

Tranzistor je tvořený jedním atomem fosforu v epitaxní vrstvě křemíku
Tranzistor je tvořený jedním atomem fosforu v epitaxní vrstvě křemíku

Jak uvedl Michelle Simmons, jeden z vedoucích celého projektu na australské univerzitě, výzkum začal již před deseti lety. Měl za úkol prověřit budoucí možnosti a dostatečně se tak připravit na přechod, který je nutný s postupným zmenšováním výroby tranzistorů. Klasická výroba totiž narazí na limity pod hranicí 10 nm.

Vědci již mají z velké části jistotu, že tato technologie je možná. Mají přibližně deset let náskok před tím, než bude skutečně potřeba i pro sériovou výrobu čipů. Vědcům se podařilo atom nastavit díky řádkovacímu tunelovému mikroskopu, který umožňuje i manipulaci s atomy.

Schéma řádkovacího tunelového mikroskopu pro práci s jednotlivými atomy (autor: Michael Schmid)
Schéma řádkovacího tunelového mikroskopu pro práci s jednotlivými atomy (autor: Michael Schmid)

Podmínky byly ale náročné. Vše bylo kvůli vyřazení řady problémů prováděno na atomu fosforu s teplotou –234 °C. Podrobnosti o výzkumu můžete nalézt na stránkách webu Nature.

Kalkulace funkčnosti tranzistoru s použitím jednoho atomu
Kalkulace funkčnosti tranzistoru s použitím jednoho atomu

Miliarda tranzistorů? Bude víc

Současné čipy, které jsou vyráběny s 20nm technologií, mají několik miliard tranzistorů, s čímž souvisí i jejich maximální možný výkon. Postupným zmenšováním tohoto základního prvku či dokonce nahrazením ještě lepší formou (memristor), by měla hustota do konce tohoto desetiletí dosáhnout na tisíc miliard. Tedy na jeden bilion částí, které lze propojit pro tvorbu logických obvodů.

Jak už jsme psali v článku „Výpočetní výkon: od mozku až k superpočítačům“, výkon stoupá o řád přibližně každých deset let, což souvisí právě s počtem prvků v jednom čipu. Bilion částí umožní výkon v EFLOPS, do roku 2030 můžeme čekat komplexnost až biliardu prvků a výkon ZFLOPS (superpočítače).

Jeden logický prvek na jeden atom je opět ale pouhou zastávkou, která už má připraveného nástupce. Jsou jím kvantové čipy, které pracují již se samotnými elektrony, takže lze opět získat více se stejným množstvím hmoty než doposud.

Elektrické spektrum tranzistoru tvořeného jedním atomem
Elektrické spektrum tranzistoru tvořeného jedním atomem

První kvantový počítač byl již sice uveden, ale jeho nasazení v reálných podmínkách nelze očekávat příliš brzy, nejdříve přibližně za deset či patnáct let. Pokud nenastane žádný výjimečný stav, měla by tak složitost čipů stále stoupat v rámci času tempem, kterého si všiml již v roce 1965 Gordon Moore.

Nejčtenější