A chipfejlesztés hagyományos útja lassan, de biztosan technológiai korlátokba ütközik, eközben egyre többen vannak azok a gyártók, fejlesztők, akik úgy vélik, hogy más megoldást kell keresni a jövőt illetően. Az IBM kiváltképp az új technológiák mellett teszi le a voksát, és valljuk be, ki ne tenné azt, ha kézzelfogható eredményeket tudna felmutatni. A cég december ötödikei beszámolójában például három olyan kutatási pontot is kiemelt, amelyek potenciális területei lehetnek a fejlődésnek. Habár nem csak az IBM útja létezik, cikkünk jelentős hányada mégis ennek a cégnek a munkájával foglalkozik. Több szempont miatt is rá esett a választás, ugyanis írásunk témáját tekintve kevés vállalat publikálta jövőre vonatkozó fejlesztéseit, másrészt az elmúlt évek folyamán egy, a jövőt meghatározó projekt a körvonalakból kézzel fogható valósággá nőtte ki magát.
Harc a méretekkel
Az IBM szerint a jövő egyik kihívását az jelenti, hogy olyan új tranzisztorstruktúrával, illetve anyaggal álljanak elő a fejlesztők, amely mindenütt előfordul, ebből kifolyólag olcsón be lehet szerezni, valamint képes a legtöbb chipnél használt szilícium mellé társulni. A következő lépés ezután az, hogy az invenciókat integrálják a már létező eszközökbe, technológiákba és gyártósorokba, amelyek korábban a szilíciumszeletes chipeket készítettek. Valójában ez utóbbi mozzanat az, amely egy új technológia létjogosultságát eldönti. Ha a forradalmi megoldások vagy az újítások kivitelezését elutasítják, ha annak gyártási folyamata nem képes alkalmazni a már meglévő gyártósorokat, eszközöket, akkor az esetek túlnyomó többségében a süllyesztőbe kerülnek a szárnyakat bontogatni próbáló megoldások.
A lapkák versenye zanzásítva egy ideje már másról sem szól, mint a használt tranzisztorok és egyéb elemek méretének csökkentéséről. Moore törvényét már jól ismerjük, amelynek értelmében a hasonló lapméreten található tranzisztorok száma körülbelül 18 havonta megduplázódik, azonban ez a megfigyelésen alapuló törvény sem képes már sokáig húzni. Az egyre kisebb csíkszélességű integrált áramkörök ugyan kitolják ennek elévülését, de a miniatürizálás emelte határokat akár még ebben az évtizedben elérhetjük.
A probléma már a múlt évtized elején felütötte a fejét. A magasabb órajelekért vívott harc során a lapkák több energiát kezdtek fogyasztani és eközben a hőtermelés is jelentős mértékben megnőtt. A számítási sebesség növelésére ezért a mérnököknek más alternatívát kellett keresniük. Papírra kerültek a többmagos megoldások, amelyeket már a mindennapokban is használunk. A tranzisztorok mérete eközben tovább zsugorodott, a jelentkező problémák sora pedig csak szaporodott. A parazita ellenállások és kapacitások megfelelő értékének problémaköre, a szivárgási áram, a tranzisztorok elektrosztatikus tulajdonságainak eltérése, valamint az egyre nagyobb mennyiségű hő már a tervezés fázisában megnehezíti az áramkör viselkedésének szimulációját.
A felmerülő problémákra a mérnökök egy részének a válasza az volt, hogy változtattak bizonyos kulcs alapanyagokon, illetve struktúrákon, hogy olyan szabványos szilíciumtranzisztorokat hozhassanak létre, amelyek mostanában érik el a piacot. Gondolunk itt az Intel 3D tranzisztoraival teleaggatott Ivy Bridge sorozatára, amely már 22 nm csíkszélességen készül. Azonban egyre többen vélik úgy, hogy 5-10 éven belül le lehet húzni a rolót, ha továbbra is csak a kicsinyítés erejében bíznak a mérnökök.
Szilícium, grafén, fény?
Az egyik megoldás az IBM szerint az, ha a szilícium néhány funkcióját más anyag veszi át, például a szén, amelyből mikroszkopikus nanocsöveket lehet létrehozni. Az első ilyen megoldást használó tranzisztorok kevesebb mint 10 nanométer méretűek, és az eredmények alapján néhány kulcsfontosságú területen teljesítményben könnyen felülmúlják a legjobb szilíciumalapú eszközöket. A technológiához szükséges nanocsöveket, vagyis a szénszerkezeteket gyakorlatilag olyan 200 milliméter átmérőjű szeleteken „növesztik”, amelyek a legtöbb félvezetőgyár palettáján megtalálhatók.
Egy másik tanulmány a nemrégiben felfedezett szén allotrópra, a grafénre tereli a figyelmet, amit főleg filmrétegként hasznosítanak. Ez a filmréteg a legtöbb esetben egy atom vastagságú, így a félvezetők helytakarékossági versenyében mindenképpen előnyös pozícióra tesz szert. Tranzisztorként pedig már áprilisban megmutatta, hogy mire is képes ez a szén allotróp, ugyanis a grafénból építkező 155 Ghz-es 40 nm-es tranzisztor kivívta a világ leggyorsabb tranzisztora címet. Az elmúlt hónapban az IBM a hagyományos 200 milliméteres gyártósoron is képes volt grafén tranzisztorokat előállítani, és állítólag a trükk csak annyi volt, hogy fordított eljárási móddal kellett nekiveselkedni az összeállításnak. Ezzel a cég nem mást igyekszik bizonyítani, mint azt, hogy a technológia széles körben bevezethető. A grafént eközben más területen is próbára tették. Elkészültek az első grafén integrált vezeték nélküli kommunikációra szánt áramkörök, amelyek akár 5 Ghz-en is képesek működni, és még a mindennapokban igen csak extrém, 200 fokos külső környezeti hőmérséklet mellett is üzemképesek egy darabig.
Bár nem tartozik szorosan a jövő chipje témakörhöz, egy aprócska kitérőt mégis csak érdemes tenni az adattárolás problémakörében, mivel Almedenben a kutatók egy radikálisan új tárolási megoldáson dolgoznak. Az elképzelés – ahogy az SSD is – szintén mellőzi a mozgó alkatrészeket, azonban egészen más megközelítését alkalmazza a tármemóriának. A módszer a nemrégiben felfedezett spintronika jelenségét használja, vagyis az elektronok azon kvantummechanikai tulajdonságán alapul, miszerint az elektron spinnel rendelkeznek. A mérnökök a mágneses nanoszálakon belül rejtőzködő nanoléptékű mágneses szekciók mágneses állapotát közvetlenül kívánják befolyásolni az elektronok spinbeállásával.
Az egyelőre „magnetic race-track” névre hallgató megoldás összességében olyan sebességet nyújt majd, mint az SSD-k, a különbség azonban az lesz, hogy ezt olyan áron és tárméretben kínálja, mint a most kapható merevlemezek. A megbízhatóság mellé tehát megkapjuk a teljesítményt, így már csak az a kérdés, hogy mikor lesz lehetőségünk élesben is betyárkodni az új digitális információmanipulálást kínáló megoldáson. Ha csak a gyártási módon múlna, akkor az eszköz megjelenése nem váratna magára, ugyanis az IBM tavaly decemberében 200 milliméteres félvezetőszeletre kombinálva demonstrált egy 256 tömbös mágneses racetracket.
A másik fejlődési vonalat a már évek óta kutatott optikai megoldások jelenthetik, amelyek chipre való integrálásáról ugyan nincs a számítástechnika egészére kiterjedő megegyezés, azonban az elmúlt években már láthattunk ígéretes próbálkozásokat. Nem is kell túl messzire görgetni az idő kerekét, ugyanis az IBM 2010 decemberében mutatta be első CMOS integrált szilícium nanofotonika technológiáját, amely egy chipen kombinálja az elektronikus és az optikai eszközöket.
Az új technológia szerepéről és alkalmazási területeiről a Broadcom által megrendezendő februári International Solid-State Circuits Conference alkalmával igyekszenek dűlőre jutni a neves gyártók, illetve a fejlesztők, azonban annyit már most sejthetünk, hogy a chip–chip közötti optikai megoldások technikai potenciálja miatt egyfajta közös megegyezés már most formálódni látszik, miszerint a csúcsszerverek és a mainframe gépek NYÁK-ján pár év múlva biztosan megjelennek majd a szilícium fotonikus eszközök vagy az ehhez hasonló technológiák. Jelenleg azonban nem lehet pontosan megbecsülni, hogy mikor érkezik el a fény erejét használó technológia a felhasználók szintjére. Annak azért mindenképpen örülhetünk, hogy az IBM által bemutatott technológia gyártási folyamata csak néhány processzormodul tekintetében tér el a szabványos CMOS gyártási folyamatához képest. A fotonikus megoldások működéséhez szükséges modulátorok, germániumalapú fotodetektorok, és ultrakompakt hullámhossz-osztásos multiplexerek ugyan növelik a gyártási időt, azonban nincs szükség nagy költségű berendezések és új gyártósorok összeállítására, ergo elméleti síkon nincs akadálya a bevezetésének.
És itt még nincs vége! A szilíciumra integrált nanofotonikus technológiáról korábbi írásunkban többet is megtudhat.
