Po desetiletí zmenšující se tranzistory vedly k explozivnímu nárůstu výpočetního výkonu, ale tyto dny se chýlí ke konci. Otázka zní: kam teď půjdeme? 3D návrh je hlavní součástí odpovědi.
Jak jsou počítače stále rychlejší?
Všechny počítačové procesory se skládají z tranzistorů, které umožňují počítačům provádět „logické operace“, což znamená porovnávat a manipulovat s čísly. Pokud zkombinujete dostatek z nich, nakonec se dostanete tam, kde jsme dnes: počítače, které dokážou nahrávat zvuk, pořizovat a zpracovávat fotografie, počítat, vykreslovat videohry a dokonce s námi mluvit.
Obecně řečeno, čím více tranzistorů máte, tím „chytřejší“ a schopnější bude váš počítač. Když byly tranzistory poprvé vynalezeny (kolem roku 1950), měl jeden tranzistor průměr asi 2 centimetry a vypadal spíše jako rekvizita ze sci-fi hororu než jako funkční kus technologie. Dnes je vše jinak. Moderní tranzistory mají obecně průměr menší než 60 nanometrů (nanometr je jedna miliardtina metru), což je zmenšení velikosti zhruba ekvivalentní zmenšení Měsíce na velikost citronu. Tranzistory se od svého prvního vynálezu spolehlivě zmenšují, takže počet tranzistorů, které dokážeme nacpat do dané oblasti, se zdvojnásobí zhruba každých 18–24 měsíců, což je jev běžně nazývaný Moorův zákon.
Nyní můžeme zabalit miliardy tranzistorů do mikroprocesoru o velikosti mince a to umožnilo počítačům změnit se z obrovských strojů, které zabíraly celé budovy, na zařízení dostatečně malá, aby je bylo možné nosit v kapse. Ale je tu problém: tranzistory jsou příliš malé.
Proč se tranzistory nemohou stále zmenšovat?
Jak se tranzistory zmenšují, je stále obtížnější je spolehlivě vyrobit. I ty nejlepší dostupné metody vedou k plýtvání, i když to není vždy hrozná věc. Pokud se například pokoušíte vyrobit 16jádrový CPU a funguje pouze polovina jader, můžete vadná jádra jednoduše deaktivovat a prodat jako 8jádrový CPU – žádná škoda.
Někdy však defekty narazí na něco kritického a celá věc se musí vyhodit. Jak se tranzistory zmenšovaly, tento problém se stal závažnějším. Kromě výrobních problémů se zvláštní efekt kvantové mechaniky – kvantové tunelování – stává problematicky běžným, když mluvíme o nanoobvodech. Kvantové tunelování vede k tomu, že elektrony se někdy dostanou do míst, kam by se normálně nedostaly, a proto je obtížné vytvořit procesory, které fungují spolehlivě.
Čipy se mohou rozšířit, aby se do nich vešlo více tranzistorů, ale to vážně zhoršuje výrobní výzvu a návrh mikročipů je ještě složitější. Kombinace zvýšené výrobní obtížnosti a základních fyzikálních limitů nás málem dovedla na konec Moorova zákona, ale s všudypřítomnou poptávkou po lepších, chytřejších a rychlejších počítačích, kam zajdeme?
3D tranzistory přicházejí zachránit Moorův zákon
Tranzistory na čipu tak trochu připomínají ostrovní město jednopatrových budov. Můžete jen udělat budovy tak malé, než budou nepoužitelné, a protože jste na ostrově, nemůžete se rozlézat ven navždy. Stejně jako ostrovní města jsou moderní tranzistory navrženy tak, aby využívaly vertikální prostor. Místo toho, aby byly připevněny v ploché rovině, mohou být uspořádány svisle dohromady, aby bylo možné „věci“ uspořádat do stejné stopy.
CFET je jeden 3D design, který pravděpodobně uvidíme na počátku třicátých let 20. století. Jakkoli chytří můžeme být s návrhy tranzistorů vpřed, nelze se vyhnout skutečnosti, že konec Moorova zákona se blíží dříve, než by si kdokoli přál. 3D tranzistory jsou jedním ze způsobů, jak tento problém dočasně obejít, ale jsou jen částí obrazu. Větší důraz se klade na navrhování procesorů, které vynikají ve specifických úkolech – jako jsou neurální procesorové jednotky (NPU) s aplikacemi AI – s cílem maximalizovat výkon. Existuje také možnost, že nové materiály budou mít lepší vlastnosti, které umožní tranzistorům nové generace se ještě více zmenšit, nebo že průlom v kvantových výpočtech je učiní užitečnějšími pro každodenní aplikace, ale neexistují žádné záruky. To jsou možnosti, které mohou být nakonec omezeny fyzikálními zákony.
