A co přijde po křemíku?

Je to známá historie. V roce 1965 Gordona Moora, někdejšího šéfa výzkumu a vývoje v dnes již zaniklé společnosti Fairchild Semiconductor a jednoho ze zakladatelů Intelu, požádali editoři časopisu Electronics, aby napsal libovolný text do výročního vydání. Přispěl článkem, který naznačil to, co později jiní definovali jako Moorův zákon a nazvali „nejdůležitější technologickou předpovědí druhé poloviny 20. století“.

Předpověď, která dosud vycházela

Moore prostým sledováním vývoje technologie mikročipů dospěl k predikci, že vzhledem k faktu, že se rok co rok množství integrovaných obvodů v čipech zdvojnásobuje, bude do deseti let možné vyrobit čip až s 65 000 tranzistory. A o deset let později tomu tak skutečně bylo. Ale nejen to. Odvodil, že trend každoročního zdvojnásobování obvodů bude pokračovat, a to téměř až do současnosti. Jistým způsobem tak předpověděl, jak bude fungovat technologický pokrok lidstva až do konce milénia.

Dnes, o 45 let později, je situace trochu jiná a křivka progresu už není tak hladká jako dřív. Velkou zásluhu má na tom skutečnost, že začínáme narážet nejen na technologické, ale především fyzikální překážky samotných materiálů, ze kterých se mikročipy tradičně vyrábějí. Vezměme to ale popořadě.

Vše začíná a končí křemíkem

Pro výrobu křemíkových waferů, polovodičkových disků, na které se posléze litografickými postupy kladou mikroobvody, se již řadu desetiletí používá takzvaná Czochralského metoda. Ta umožňuje v kontrolovaných podmínkách vytvořit přesně definovaný monokrystal s pravidelnou mřížkou. Metoda je to složitá, nicméně výsledek je jasný: bezchybný plát s čistotou 99,9999 % a dalšími příměsemi maximálně na atomární úrovni.

Aby bylo jasno, není to metoda jediná, ale jednoznačně nejpoužívanější. Je totiž zároveň nejlevnější. Víte, kolik je přibližná velkoobchodní cena jednoho prázdného šestipalcového waferu? Obecně kolem 30 dolarů. Výroba je ale po stránce ekologie takovou malou katastrofou. Poměr materiálu nutného k výrobě a výsledného produktu je 600 : 1.

Skutečným technologickým zádrhelem je ale další zpracování, přesněji potisk. Křemík, stejně jako jakýkoliv jiný materiál, má řadu fyzikálních a chemických vlastností, které limitují jeho využití. V našem případě tak omezují jak velikost mikročipu, tak tištěných spojů. Zjednodušeně řečeno, rozměry samotných čipů příliš variabilní nejsou, a to kvůli tepelným vlastnostem a zpoždění elektrického signálu. Jedinou skutečnou cestou, jak vytvářet stále výkonnější procesory, je do čipu vměstnat větší množství obvodů. A právě tady Moorův zákon naráží.

Miniaturizace není jen o zmenšování

Postup zmenšování obvodů nefunguje tak, že by se součástky jednoduše naskládaly těsněji vedle sebe. Každý malý obvod je sice jen jednoduchou CMOS součástkou pracující s primitivní binární logikou (buď signál propustí, nebo ho zadrží), jenže forma těchto součástek se postupem času mění a každý další krok miniaturizace vyžaduje zcela novou architekturu. A ty nejnovější jsou opravdu komplikované a jejich vývoj je čím dál pomalejší.

Důvody těchto zpoždění jsou různorodé a často není hlavní překážkou ani tak složitost čipu, jako spíš jeho výrobní cena. Výzkum a produkce jsou čím dál dražší. Když minulý rok začal Intel dodávat na trh svůj procesor s desetinanometrovou architekturou s označením Ice Lake, holedbal se, že čip další generace s technologií sedminanometrovou bude dostupný o dva roky později. Ovšem během letošního jara vyšlo najevo, že vývoj nové technologie je minimálně rok pozadu a sedminanometrový mikročip se neobjeví dřív než v roce 2022. A otázku, kdy světlo světa spatří generace následující a ještě menší, totiž pětinanometrová, nechává Intel otevřenou. V době psaní tohoto článku se pětinanometrovým čipem pochlubila společnost TSMC, ale zatím je mnoho aspektů nejasných.

Zákony pokroku nejsou zákony trhu

Svět založený na technologiích potřebuje své CPU a GPU v kvantitě milionů kusů ročně, a tedy nejde jen o to vytvořit fungující architekturu, ale také najít způsob, jak čipy vyrábět levně a masově.  Zákony trhu jsou podobně pevné jako zákony fyziky. Ostatně důvod, proč v počátcích výroby daly zakládající společnosti přednost křemíku před zprvu preferovaným germaniem, je vyloženě pragmatický, křemík je o poznání levnější a najdeme ho skoro všude. Je to osmý nejčastější prvek ve vesmíru, co do celkového objemu a hmotnosti.

Tím vším chci poukázat na to, že v otázce vývoje musíme vždy zohlednit i ekonomické faktory. Vývoj a výroba nových architektur je nákladnější a výkonnostní rozdíly mezi posledními generacemi procesorů nejsou nijak dramatické. Pro technologické firmy, jako je Intel, je tak každý další výzkum sázkou na nejistotu. Může se totiž nakonec ukázat jako ztrátový.

Kde vlastně leží tak diskutovaná technologická hranice, která nás ve výrobě mikročipů účinně zastaví? Pokud jde o procesory z polovodičů, limituje nás podle teoretiků svět atomů. Tištěné spoje v subatomární rozměrech by bylo teoreticky obtížné masově vyrábět, a tak je v současnosti nejmenší prototyp spoje o rozměrech jediného nanometru k větší produkci nevhodný. Než složitě obcházet fyzikální zákony kvantové mechaniky, která v tak malých rozměrech působí, je snadnější a levnější najít úplně jiné řešení.

Jinými slovy, jestliže chceme zachovat současnou myšlenku levných procesorů a neměnit zcela koncept tištěných spojů jako třeba Samsung, který začátkem roku dokázal vyrobit třínanometrové čipy s GAAFET tranzistory, jsme nuceni křemík nahradit vhodnějším materiálem. Na výběr jich je několik, ale žádný není tak univerzální jako právě křemík na začátku IT revoluce.

Uhlík a jeho nanovlákna

Do uhlíkových nanovláken se vkládala donedávna velká důvěra. Podobně jako křemík jsou schopná po dodání malého množství proudu dobře propouštět elektrický signál, a co do vlastností jde o téměř dokonalé řešení. Problém je ale v jejich produkci. Nanovlákna musejí být geometricky precizně definovaná, jejich krystalická struktura téměř dokonale čistá (ještě o jeden řád čistější než v případě křemíku) a bez jakýchkoliv příměsí. I v případě, že bychom k jejich produkci využili nejpokročilejší technologie tisku, budeme v blízké budoucnosti schopní zaručit možná přesnost struktury a čistotu, ale rozhodně ne rychlou výrobu. Křemíkový mikročip vyrobíme během několika sekund, růst nanovlákna trvá minimálně hodiny. Jde o slibnou technologii, jen její vývoj nepostupuje kupředu tak rychle jako třeba v případě dále zmíněného grafenu. Věděli jste, že rekordní délka uměle vyrobeného uhlíkového nanovlákna je kolem 550 milimetrů? Bohužel, jeho čistota je variabilní.

Grafen

Na existenci grafenu, jednoho z alotropů uhlíku, jsme narazili docela nedávno, v roce 2004. Jeho supravodivé vlastnosti byly poprvé popsány o rok později. Grafen je krystalická a opět geometricky přesně definovaná struktura se šestistranným tvarem, která má na výšku pouze jediný atom. Výhodou je, že na rozdíl od uhlíkových nanovláken je jeho struktura téměř dvoudimenzionální, a je na výrobu díky tomu podstatně jednodušší. Obvody s grafenem se dají snadněji taktovat a jejich chlazení vyžaduje o mnoho méně úsilí. Navíc, výzkum obou technologií se v mnoha ohledech protíná.

Současnou překážkou je především potřebná čistota, která musí být skutečně dokonalá, a to na atomární úrovni. Se současnými prostředky jsme schopní dosáhnout požadované čistoty, ale jen na velmi malých, zanedbatelných vzorcích. Funkční procesor existuje jen v laboratorních podmínkách a jde o prototyp.

Disulfid molybdenu

Z tohoto dvoudimenzionálního polovodiče, který má tloušťku jen tři atomy, se povedlo vědcům ze Stanfordské univerzity minulý rok v říjnu vytvořit tranzistor o velikosti pouhého jednoho nanometru. A nejen to. Také předvedli, že materiál oplývá žádoucími vlastnostmi, které křemík postrádá, má například ještě nižší elektrický odpor, a navíc pro jeho zpracování není třeba opouštět všechny dosud fungující postupy a technologie. Prototyp o jednom nanometru je ale extrémním příkladem toho, co v tuto chvíli umíme z molybdenu předvést. Experti se shodují, že mnohem pragmatičtější by mohla být výroba větších desetinanometrových obvodů, které jsme ale už co do velikosti překonali křemíkem.

Je ale příliš brzo cokoliv prorokovat, jde o nový materiál. Sami autoři experimentu ze Stanfordu ale nadšení krotí. Podle nich se molybden s největší pravděpodobností nástupcem křemíku nestane, spíš se v následujících letech prokáže jako vhodný podpůrný materiál.

Podobný úděl ale čeká všechny nové materiály, které jsem zmínil. Ať už si budoucnost zvolí jakoukoliv technologii, je zřejmé, že křemík z naší elektroniky jen tak rychle nezmizí. Všechny dosud zmíněné materiály budou určitou dobu sloužit po jeho boku a vylepšovat vlastnosti a užití křemíku, než že by ho zcela nahradily. Přece jen má za sebou čtyřicetiletou historii vylepšování. Je jen velmi obtížné najít materiál, který by už nyní sliboval stejně dlouhou životní dráhu. Křemík s námi tedy nejspíš ještě nějakou dobu zůstane.