Tranzistoarele de mărimea unui atom: finalul legii lui Moore

Dat fiind că scriu pentru Revista Imagine și Brand o dată pe lună, unde am pagina mea de tehnologie, iată că am să pun și aici textul din pagina respectivă. După pulicarea în revistă voi publica și pe blog. În numărul din martie am scris despre tranzistoarele atomice(pagina 12).

Computerele sunt fără doar și poate o minune tehnologică ce se petrece sub ochii noștri cu atât mai mult cu cât devin tot mai performante de la an la an. Un calculator din 2012 este de cel puțin zece ori mai peformant decât unul din 2004.

Numărul de tranzistoare pe centimetru pătrat a reprezentat mereu o barieră pe care producătorii au încercat să o depășească. În ritmul legii lui Moore, desigur. Legea lui Moore este o tendință în lumea computerelor prin care la fiecare 18 luni numărul de tranzistoare pe centimetru pătrat ar urma să se dubleze.

Legea lui Moore a fost menționată pentru prima dată de Gordon E. Moore, co-fondatorul Intel, care în 1965 a afirmat că acest ritm de dezvoltare va continua “pentru încă cel puțin zece ani”. Lucru interesant, industria semiconductoare a adoptat această lege ca strategie pe termen lung. Și bine au făcut.

Conform acestui trend primul tranzistor de mărimea unui atom ar fi urmat să fie produs în 2020. Deși unele voci au afirmat că dezvoltarea va stagna pe la finalul lui 2013 se pare că 2012 este anul surprizelor: s-a reușit izolarea unui singur atom. Lucrarea în care se explică în detaliu cum s-a realizat acest experiment a fost publicată în data de 19 februarie 2012 în varianta online a Revistei Nature. Acesta este primul pas în realizarea tranzistoarelor de mărimea unui atom.

Profesorul australian Michelle Simmons, liderul grupului de cercetare și directorul Centrului pentru Calcule și Comunicare Cuantică din cadrul ARC (Australian Research Council) de la Universitatea New South Wales a afirmat: „Este pentru prima dată când cineva a reușit să controleze un singur atom într-un mod atât de precis.”

Fig. 1. Atom de fosfor izolat într-un strat de siliciu. Vizualizare cu microscop de scanare prin efect tunel (STM – Scanning Tunneling Miscroscope) având post procesare aplicată pentru crearea de culori.

Pentru poziționarea exactă a atomului s-a folosit un dispozitiv special numit microscop ce scanare prin efect tunel care permite și vizualizarea poziției în imagini monocrome. Acest aparat se folosește de un vârf metalic pentru a crea o diferență de voltaj între atomii din vârful metalic și suprafața studiată pentru a manipula acei atomi. Tocmai acea diferență de voltaj permite vizualizarea cu precizie de până la 0,1 nm (nm – nanometru, a miliarda parte dintr-un metru).

Atomul de fosfor a fost poziționat într-un cristal de siliciu apoi a fost pus in contact electric cu cipul din siliciu pentru a verifica proprietățile electrice. Rezultatele au fost pozitive.

Același grup a reușit în ianuarie 2012 să creeze fire conductoare de electricitate cu mărimi cuprinse între 1.5 și 11 nanometri. Dat fiind că diametrul aproximativ al unui atom de fosfor este de 0,27 nm, acele fire foloseau de la 5 până la 44 de atomi pentru lățimea unui fir. Cel mai interesant este că acele fire se comportau ca firele clasice și conduceau curentul electric fără probleme. Una dintre temeri era că la scară nanometrică firele electrice ar opune mult mai mare rezistență trecerii curentului electric, ceea ce s-a dovedit a fi fals.

Fig. 2. Michelle Simmons, liderul grupului de cercetare și directorul Centrului pentru Calcule și Comunicare Cuantică din cadrul ARC (Australian Research Council) de la Universitatea New South Wales

Cercetările de până anul trecut nu reușeau să identifice și să poziționeze atomii decât cu o marjă de eroare de 10nm, ceea ce este de 40 mai mult spațiu decât ocupă un atom de fosfor.

Cursa către calculatoare cuantice, care să folosească tranzistori de mărimi atomice, tocmai a fost accelarată. Intel, companie cu tradiție în crearea de tranzistoare de mărimi foarte mici, se pregătește să lanseze prin iunie procesoarele din clasa Ivy Bridge, cu tranzistori de 22nm.

Deși într-un asemenea tranzistor încap peste 80 de atomi este fără îndoială un pas mare înainte. Modele disponibile pe 32nm, din clasa Sandy Bridge, sunt deja de o vreme bună pe la noi.

Dacă vom avea în următorii ani microprocesoare cu tranzostori atomici, atunci legea lui Moore va fi depășită, dat fiind că așteptările ar fi ca abia în 2020 să avem o asemenea putere de calcul în casele noastre.

Ce înseamnă cursa aceasta nebună către procesoare cât mai sofisticate și mai puternice? Se obține performanță mai multă și consum mai mic pentru aceiași bani pe care îi dai an de an. Peste zece ani vom ține în mână un telefon care va fi de zeci de ori mai performant decât orice calculator pe care îl avem în casele noastre azi.