Technologie z písku
20. 1. 2012
Je tomu právě čtyřicet let, kdy byl představen první mikroprocesor 4004. Základem mikroprocesoru jsou polovodičové součástky, zvané tranzistory. První mikroprocesor obsahoval 250 takových tranzistorů, zatímco současný mikroprocesor jich má už 995 miliónů. Mikroprocesory, které zpočátku fungovaly na frekvenci 749 kHz, dnes fungují na frekvenci 4 GHz. Kdyby se stejným tempem zvyšovala rychlost aut, pak by cesta z Lisabonu do Moskvy trvala jednu sekundu. Bude miniaturizace mikroprocesorů pokračovat? Jaké skutečnosti stojí v cestě neustálému zmenšování tranzistorů a tudíž zvyšování výkonu na tak malé ploše?
Před čtyřiceti lety byl
představen první mikroprocesor Intel 4004. Obsahoval 2300 polovodičových
součástek, takzvaných tranzistorů. Dnešní mikroprocesory jich obsahují
milionkrát více. Během čtyřiceti let prošla tato technologie vývojem, který by
se dal popsat jako zmenšování velikosti a zvyšování výkonu. Kdyby se dnešní
mikroprocesory skládaly ze starých tranzistorů, měřily by asi dvacet metrů
čtverečních a spotřeba energie za měsíc by stála dva a půl milionu korun. Na
přepravu počítače by bylo potřeba velké nákladní auto.
Pavel Svoboda, Intel Czech Tradings: Co se týče rychlosti jako takové čistě té frekvence, která ale samozřejmě už dnes není ten nejvíce určující faktor, ale dobře se porovnává, tak tenkrát se počítalo v kiloherzích. První mikroprocesor měl frekvenci sedm set čtyřicet devět kiloherz. Dneska, dnešní čipy pracují běžně mezi třemi až čtyřmi gigaherzy. Čili můžeme říci, že došlo zhruba k pěti tisíci násobnému zrychlení.
Kdyby se takovým způsobem zvyšovala rychlost v automobilovém průmyslu, tak by cesta autem z Moskvy do Lisabonu v současnosti trvala jednu vteřinu.
Pavel Svoboda, Intel Czech Tradings: Ale aby to nebylo tak jednoduché, tak i procesor s více jádry a vyšší frekvencí může být třeba míň výkonný než procesor s míň jádry a nižší frekvencí. Je to dáno architekturou toho čipu, čili to, jak efektivní byli ti inženýři při tom, když to navrhovali.
Během druhé světové války vznikla snaha vytvořit rychlé výpočetní systémy, a tak se vyvinuly sálové počítače. Mechanická zařízení by ale nikdy nedosáhla takové rychlosti, jako elektrická. Dnešní počítač se dokáže mezi jednotlivými procesy přepínat stokrát až tisíckrát za vteřinu.
První počítač byl postaven na elektromechanickém relé. Sepnutí nebo vypnutí kontaktů představovalo logickou nulu nebo jedničku. Mechanická a poté i elektronická výpočetní zařízení tak vyjadřovala čísla v dvojkové soustavě.
Procesory prvních počítačů byly složeny z obvodů, které obsahovaly elektronky, později tranzistory a integrované obvody. Počátkem sedmdesátých let se už skládaly z několika stovek integrovaných obvodů. Tak byl postaven i navigační počítač Apollo, který sloužil Armstrongově posádce v roce 1969 při přistání na Měsíci.
První mikroprocesor byl určen pro stolní kalkulačku Busicom.
Doc. Ing. Petr Skalický, CSc., Fakulta elektrotechnická ČVUT: Šlo o to na ten nějaký ekonomický rozměr toho čipu dostat celý ten procesor. A tedy když to bylo, nejprve se to povedlo na čtyři obvody, u osmdesát osmdesátky se to povedlo na tři obvody a vlastně osmdesát čtyřicet osmička byl procesor první jednočipový, kdy vlastně nejenom to procesorový jádro, ale i vstupy, výstupy a paměti, jak programová, tak datová, se povedlo umístit na jeden jediný čip.
Prostředí, kde se mikroprocesory vyrábí, musí být naprosto čisté. Miniaturní technologii by totiž mohlo poškodit i jediné smítko prachu. Pro samotnou výrobu mikroprocesoru se používá hlavně křemík, který je hned po kyslíku druhým nejrozšířenějším prvkem. Tento polovodič se získává z křemičitého písku. V chemických továrnách se křemík taví a prochází čištěním.
Pro výrobu je ale potřeba připravit monolytický křemík. Tento jediný krystal křemíku, neboli ingot, vzniká tažením z taveniny v pecích za vysoké teploty. Ingot o délce dvou metrů se poté rozřeže diamantovou pilou na takzvané wafery, tenké plátky o tloušťce jednoho milimetru.
František Fait, Enterprise Technology Specialist, Intel Czech Tradings: Od návrhu procesoru, kde se určuje, jakou bude mít velikost caches, kolik bude mít jader, se postupuje postupně níže. Z jakých částí se skládají tyto komponenty až na úroveň hradel a na úroveň tranzistorů. Na základě tohoto návrhu se připravují právě masky. Připravuje se taková mapa, která se teprve nanáší na tento procesor, a těch masek je opět několik desítek až stovek.
Pomocí masek se na začátku wafer dopuje dalšími prvky například ionty boru nebo fosforu. Na křemík se dále aplikují jednotlivé masky, které vytváří strukturu tranzistorů a jejich propojení. Princip spočívá v nanášení fotocitlivé vrstvy, která je osvětlena ultrafialovým zářením přes masku a přes tuto vrstvu se několikrát leptá přebytečný materiál nebo nanáší. Na samotném konci se celé vrstvy propojují pomocí měděných spojů. Takto připravený wafer se rozřeže na jednotlivé mikroprocesory, které se testují.
Ve vývoji mikroprocesorů se ale narazilo na spoustu problémů, které bylo potřeba překonat. Za posledních deset let došlo k významným změnám jako například k nahrazení hliníkových spojů měděnými nebo k vytvoření takzvaného napnutého křemíku. Tato slitina křemíku a germania umožnila zvýšení výpočetního výkonu a snížení vyzařovaného tepla.
František Fait, Enterprise Technology Specialist, Intel Czech Tradings: V roce 2003 jsme byli postaveni před problém, jak snížit ztrátový proud, který procházel tranzistorem, kdy byl použit jako izolant oxid křemíku, a naši inženýři přišli s novým materiálem, který má mnohem větší izolační schopnosti. Ten materiál je nazýván nebo používá high-k název a obsahuje hafnium a tento materiál nám umožnil postavit tranzistory, které mají až stokrát menší únik tohoto proudu a tudíž jsou schopny další miniaturizace.
Poslední změnou je třídimenzionální mikroprocesor, kde se upouští od plošné struktury tranzistoru. Jeho řídící kanál je vytažen do prostoru, čímž se zvyšuje proud, který může tranzistor vést. Proud procházející tranzistorem odpovídá jednomu stavu, například hodnotě jedna v dvojkové soustavě. Pokud poteče tranzistorem výrazně menší proud, bude odpovídat druhému stavu, hodnotě nula.
Informace si mikroprocesor uchovává v registrech, které jsou skupinou klopných obvodů. Překlápí do dvou různých poloh podle toho, jaké napětí se sem přivádí. Aritmeticko-logická jednotka, která je vlastně velkým počítadlem mikroprocesoru, přijímá povely z instrukcí. Jednotlivé instrukce, které se přenáší jako čísla, mají obvykle od výrobce přidělenou mnemonickou značku, krátké slovo nebo soubor písmen.
Zpočátku se pro programování užívalo strojového kódu v podobě nul a jedniček. Tento proces byl ale časově velmi náročný, a tak se začaly vyvíjet jazyky symbolických instrukcí i překladače těchto jazyků, které převádí krátká slova na posloupnost binárních čísel. Většina programovacích jazyků jsou takzvané vyšší jazyky, jako například C++ nebo Java.
Doc. Ing. Petr Skalický, CSc., fakulta elektrotechnická ČVUT: Problém stálého zmenšování rozměru toho tranzistoru vede k tomu, že v té jemnější struktuře se začínají uplatňovat kvantové jevy, kdy vlastně částice, které mají nižší energetickou úroveň, než je úroveň takzvané zakázané oblasti, takže oni by se vlastně přes tu oblast neměly správně dostat.
Avšak zmenšováním oblastí dochází k takzvanému tunelovému jevu, což znamená, že i částice s nižší energetickou úrovní se za bariéru dostávají a informace se poškozují. Tato technologie tedy dosáhla svých hranic. Jednou z cest je hledání nových materiálů. V současnosti se pracuje na vývoji grafenu. Z jedné atomové vrstvy uhlíku se vytváří polovodič, který má výrazně větší elektronovou pohyblivost.
Vědci představili nedávno také tranzistory z molybdenu. Ty jsou tvořeny jednou vrstvou atomů molybdenu mezi dvěma atomovými vrstvami síry. Toto uspořádání má asi třikrát větší elektronovou pohyblivost než současná technologie. Jeden z těchto tranzistorů pracoval na tři sta padesáti gigaherzích při pokojové teplotě a v kapalném dusíku byl schopen pracovat na pěti stech gigaherzích.
V současnosti probíhají pokusy, které časem umožní přejít od polovodičové technologie buď k optickým procesorům, nebo k procesorům, které budou fungovat na biologické bázi. U polovodičové technologie zase výrobci uvažují o použití třetího rozměru, kdy by se tranzistory vrstvily na sebe. Budoucnost informačních technologií tedy rozhodně není ohrožena.
Autor: Kateřina Borecká