Tranzistory současných nejmodernějších čipů na trhu mají velikost 14 nm, respektive 16 nm, záleží na konkrétním nastavení a metrice výrobce. Už se sice chystají první 10nm čipy, ale inženýři se pomalu začali obávat velkého omezení s dosavadními materiály a postupy.
U křemíkových čipů se totiž předpokládají nepřekonatelné limitace kolem 5nm tranzistorů, což by měla být takřka poslední hranice, na které lze s tímto materiálem vyrábět čipy.
Stejně jako už několikrát v historii se tak objevila prohlášení, že Moorův zákon kvůli „fyzikálním limitům“ skončí. Vědci z Národní laboratoře v Berkeley se ale nenechali odradit a podařilo se jim problémy se zmenšováním velikosti tranzistoru vyřešit a vyrobit ten nejmenší tranzistor na světě.
1nanometrový tranzistor z nového materiálu
Jak se vyjádřil jeden z vědců na projektu, celý polovodičový průmysl byl přesvědčen, že vyrobit tranzistor menší než pět nanometrů je nemožné. Hlavním důvodem je samotné kvantové chování elektronů křemíku - při této velikosti znemožňuje vypnutí samotného tranzistoru, který by tak byl zjednodušeně stále ve stavu „1“.
Základní přehled složení a struktury vyrobeného tranzistoru (Zdroj: UC Berkeley)
Tranzistory fungují jednoduše – kontrolní hradlo (gate) řídí vodivost mezi emitorem (source) a kolektorem (drain). Podle výše napětí na hradlu tak dochází mezi přepínáním na stav „0“ a „1“.
Snímek tranzistoru z elektronového mikroskopu, kde lze vidět jak uhlíkovou nanotrubičku, izolant (oxid zirkoničitý) i MoS2 (Zdroj: UC Berkeley)
Vědci ale místo křemíku, kde už při 5nm nelze řídit přenos vodivosti a stavy tranzistoru, použili materiál Molybdenum disulfide (MoS2), u kterého lze přenos řídit i při mnohem menších velikostech tranzistoru. S tloušťku pouze 0,65 nanometru se podařilo vyrobit funkční tranzistor o velikosti jednoho nanometru, alespoň dle standardního měření velikosti hradla.
Nelze použít staré výrobní techniky
K výrobě 1nm hradla nebylo možné použít běžně používanou metodu pomocí litografie, takže řešením byla uhlíková nanotrubička s průměrem jednoho nanometru, která zajistila právě funkci hradla.
Na vývoji se podílel profesor Ali Javey s menším týmem studentů (Zdroj: UC Berkeley)
Zatím se tak jedná o funkční koncept, který spíše ukazuje, že řešení existuje a teď je hlavním problémem především škálování. Tím je myšlena nejen výroba čipu, který by takových tranzistorů měl desítky či stovky miliarda vedle sebe, ale také škálování na úrovni výroby – efektivní tvorba spousty takových čipů na waferech nebo nějaké budoucí formě struktury.
Ještě je čas
Vzhledem k tomu, že ještě máme poměrně dlouhou dobu k tomu, než se dostaneme k limitům výroby čipů z křemíku, které lze očekávat kolem roku 2022, lze předpokládat, že se tyto výzvy stihnou vyřešit.
Komplexnost čipů a jejich výkon tak bude i nadále exponenciálně narůstat, což je důležité ve všech oblastech. Technologie jsou dnes všude a menší tranzistory umožňují jak vyšší výkon, tak pochopitelně i nižší spotřebu, která je stále důležitějším parametrem, obzvláště v mobilní oblasti.