Tranzisztorforradalom: a hajszálvékony már rég nem elég
December 16-án volt éppen 60 éve, hogy három tudós megépítette a világ első működő tranzisztorát a Lucent Technologies egyik laboratóriumában. Mára a létezés egyik alapjául szolgáló szerkezetek csak elvben hasonlítanak az ősökre, de ha nyugdíjba mennének, megállna a világ.
A tranzisztor nagy áttörést jelentett a negyvenes évek második felében, hiszen végre leváltotta az óriási, nem túl hatékony és gazdaságos elektroncsöves megoldásokat. William Shockley, John Bardeen és Walter Brattain háborús körülmények között kutattak olyan megoldás után, ami a mikrohullámú radarok egyik alkatrésze lett volna, de az alapkutatásokban használatos germánium félvezető kristályok nem voltak elég gyorsak a feladathoz. Mindhárman a Bell Labs munkatársaiként dolgoztak akkoriban. A kutatók így jutottak el a szilárdtest diódákhoz, ami végül megalapozta az egész XX. századi digitális világot. Az 1934 óta folyó kísérletek első eredménye a fent említett germánium és arany kombinációjából álló félvezető volt, melyet egy rádió elektroncsövének helyére építettek be.
A legelső darab
A szabadalom ugyan már a rákövetkező év júniusában létrejött, de a tömeges elterjedésére jóval többet kellett várni, meglehetősen vontatottan terjedt el a számítástechnika akkoriban kialakuló iparágában, ám jelentőségét idővel felismerték. A két vezető kutató, Brattain és Bardeen 8 évvel később kapott Nobel-díj formájában elismerést a felfedezésekért. Ezt ma Justin Rattner, az Intel technológiai igazgatója úgy jellemzi, hogy méretek, a brutális erő helyett a hatékonyság, az ügyes megoldások kifejlesztése kapta a főszerepet, ahogyan egy antennába sem pumpálunk több megawattot, inkább igyekszünk megtalálni azt a módot, ahogyan a gyenge jelet kellő módon továbbíthatjuk.
A tranzisztorok olyan félvezetők, amelyek az elektromos jel felerősítésére, irányítására, modulációjára, feszültségstabilizálásra használatosak, mégpedig egyfajta szelepként működve, ami a bemenő feszültség alapján szabályozza a rajta átfolyó áram erősségét. Felhasználási területük igen változatos, legyen szó akár analóg, akár digitális szerkezetekről. Az analóg áramkörök esetén többnyire erősítőként használják őket, rádiókban, audio-erősítőkben vagy éppen tápegységekben. A digitális területen többnyire kapcsoló feladatot látnak el, ezáltal a digitális integrált áramkörök legfontosabb építőegységévé lépve elő. Manapság a számítógépekben szinte mindenhol találhatunk tranzisztorokat, legyen szó processzorokról, memóriamodulokról vagy egy apró logikai kapuról.
Hogy is van?
Az egyszerű szerkezet a XX. század egyik legfontosabb találmányává lépett elő az elmúlt néhány évtizedben. Habár még ma is használnak különálló tranzisztorokat, de jóval fontosabb és elterjedtebb az integrált áramkörökön (IC), mikrochipeken belüli megjelenésük. A tranzisztorok legfőbb előnye, hogy picik, olcsón előállíthatóak, rugalmasan lehet őket kezelni és szinte teljesen univerzálisan használhatók bármilyen digitális területen. Ugyanakkor a tranzisztoroknak is vannak hátrányai, hiszen nem képesek megbirkózni a túl nagy feszültséggel, túlzottan melegszenek és viszonylag sok teljesítmény szökik el működésük közben. A korábban használatos germánium-arany kombinációnál jóval hatékonyabbnak bizonyult a szilícium, de ennek is megvannak a korlátai.
Processzormagok és egy tízcentes
Manapság a félvezetőgyártók legújabb eredményei mindig az egyre kisebb méretű tranzisztorokkal kapcsolatosak, hiszen minél kisebb felületre tudnak egyre több tranzisztort bezsúfolni, annál hatékonyabb lesz az egész szerkezet, mondjuk egy processzor működése. A legelső tranzisztort bárki könnyedén a kezébe vehette, nézegethette, hiszen egy kisebb gyerek fejének a méretével volt azonos, míg pár évvel később egy egység mindössze néhány centiméteresre zsugorodott. A digitális forradalom eredménye pedig mára a szabad szemmel nem is látható tranzisztor. Az Intel legelső számítógép-processzora, a 4004 kódjelű ugyan mai szemmel nevetséges teljesítményű, de már ebben az 1971-es modellben is mindössze 10 mikron méretű volt egy tranzisztor, melyből összesen 2300 darab volt egy chipben.
1989-re ez a méret tizedére csökkent, sikerült elérniük az 1 mikron méretet. Az ekkor piacra dobott 25 MHz-es órajelű 486-os processzor viszont már 1,2 millió darab tranzisztort hordozott magában. Sokan erre a modellre már biztosan nem emlékeznek, ellentétben a Pentium névvel, aminek első darabja 1993-ban egy 66 MHz-es CPU volt 3,1 millió darab 0,8 mikron méretű félvezető eszközzel. A fejlődés pedig továbbra is egyre csak gyorsult: alig 7 évvel később az Intel bejelentette a Pentium sorozat negyedik generációját, ahol az építőkockák mérete már mindössze 180 nanométer volt, míg számuk elképesztő mértéket ugorva 42 millióra nőtt.
Kezdetben még nagyobbak voltak
2002 után viszont a méretcsökkentés már nem volt olyan egyszerű, mint korábban, hiszen kezdtek olyan határokat elérni, ami alá egyre nehezebb menni. A 90, majd 65 nm után nemrégiben már a 45 nm csíkszélességű tranzisztorokkal szerelt négymagos processzorok kerültek a boltok polcaira. Ezeken négy processzormag működik egy lapkán közösen, mindegyik 3 GHz feletti órajelen duruzsolva, a tranzisztorok számát tekintve pedig a Pentium 4-hez képest is közel 10-szeres növekedéssel sikerült 410 (kétmagos) vagy 820 (négymagos) millió darabot beletuszkolni.
A tranzisztorokhoz kapcsolódik a sokat emlegetett Moore-törvény, amely kimondja, hogy a mikroprocesszorokban fellelhető tranzisztorok száma átlagosan tizennyolc havonta a duplájára nő. Ennek végét már évekkel ezelőtt megjósolták, a fizikai korlátok ugyanis az előrejelzések szerint egy bizonyos ponton túl lehetetlenné teszik majd a további zsugorítást. Szakértők szerint a tökéletesítgetés, a csíkszélesség leszorítása helyett ezért a belátható jövőben a komponensek kombinálása veszi majd át a főszerepet, ahogyan azt a háromdimenziós kialakítású technológiák esetében is javasolják. Nem lebecsülendő azonban az újabb anyagok bevonásának jelentősége sem, ahogy azt a két processzorgyártó már sikeresen megvalósította.
Nem túl látványos jövő
A számok mára elképesztővé váltak. Gordon Moore törvényei eddig működőképesnek mutatkoztak, ami ennyi év után azt jelenti, hogy a processzorgyártók akár minden hangyának gyárthatnának egy tranzisztort a Földön, akár évente újat is. Szemléltetésként érdemes összehasonlítani a 45 nm-es nagyságot teljesen hétköznapi dolgokkal, mint az emberi köröm vastagsága, ami 20 millió, vagy az emberi hajszál, ami 90 ezer nanométer.
Elképesztően hangzik, de egy gombostű fokára körülbelül 30 millió 45 nm-es tranzisztort lehetne kényelmesen elhelyezni, de akár egy vörösvérsejt felületén is több száz férne el belőlük. Emellett persze a működési sebesség is drámaian megnőtt, hiszen egyetlen másodperc alatt ezek a parányi egységek képesek 300 milliárdszor kinyitni/visszazárni, ami a gyakorlatban annyit tesz, hogy a fény 3,5 millimétert tesz meg annyi idő alatt, amíg egy ilyen tranzisztor kinyit vagy bezár. A "felgyorsult életünk" közhely ezek után talán mindenki számára érthetőbb egy kicsit. A Moore-törvény ezzel együtt 2020 táján érvényét vesztheti, addigra kell tehát előállni valami újjal. Sokan a nanotechnológiában vélik megtalálni az utódot, ám kérdés, hogy a gyakorlati alkalmazásokban mikor juthatnak érvényre ezek az új megoldások, illetve hogy ezek milyen következményekkel járnak majd.
A tranzisztor nagy áttörést jelentett a negyvenes évek második felében, hiszen végre leváltotta az óriási, nem túl hatékony és gazdaságos elektroncsöves megoldásokat. William Shockley, John Bardeen és Walter Brattain háborús körülmények között kutattak olyan megoldás után, ami a mikrohullámú radarok egyik alkatrésze lett volna, de az alapkutatásokban használatos germánium félvezető kristályok nem voltak elég gyorsak a feladathoz. Mindhárman a Bell Labs munkatársaiként dolgoztak akkoriban. A kutatók így jutottak el a szilárdtest diódákhoz, ami végül megalapozta az egész XX. századi digitális világot. Az 1934 óta folyó kísérletek első eredménye a fent említett germánium és arany kombinációjából álló félvezető volt, melyet egy rádió elektroncsövének helyére építettek be.
A legelső darab
A szabadalom ugyan már a rákövetkező év júniusában létrejött, de a tömeges elterjedésére jóval többet kellett várni, meglehetősen vontatottan terjedt el a számítástechnika akkoriban kialakuló iparágában, ám jelentőségét idővel felismerték. A két vezető kutató, Brattain és Bardeen 8 évvel később kapott Nobel-díj formájában elismerést a felfedezésekért. Ezt ma Justin Rattner, az Intel technológiai igazgatója úgy jellemzi, hogy méretek, a brutális erő helyett a hatékonyság, az ügyes megoldások kifejlesztése kapta a főszerepet, ahogyan egy antennába sem pumpálunk több megawattot, inkább igyekszünk megtalálni azt a módot, ahogyan a gyenge jelet kellő módon továbbíthatjuk.
A tranzisztorok olyan félvezetők, amelyek az elektromos jel felerősítésére, irányítására, modulációjára, feszültségstabilizálásra használatosak, mégpedig egyfajta szelepként működve, ami a bemenő feszültség alapján szabályozza a rajta átfolyó áram erősségét. Felhasználási területük igen változatos, legyen szó akár analóg, akár digitális szerkezetekről. Az analóg áramkörök esetén többnyire erősítőként használják őket, rádiókban, audio-erősítőkben vagy éppen tápegységekben. A digitális területen többnyire kapcsoló feladatot látnak el, ezáltal a digitális integrált áramkörök legfontosabb építőegységévé lépve elő. Manapság a számítógépekben szinte mindenhol találhatunk tranzisztorokat, legyen szó processzorokról, memóriamodulokról vagy egy apró logikai kapuról.
Hogy is van?
Az egyszerű szerkezet a XX. század egyik legfontosabb találmányává lépett elő az elmúlt néhány évtizedben. Habár még ma is használnak különálló tranzisztorokat, de jóval fontosabb és elterjedtebb az integrált áramkörökön (IC), mikrochipeken belüli megjelenésük. A tranzisztorok legfőbb előnye, hogy picik, olcsón előállíthatóak, rugalmasan lehet őket kezelni és szinte teljesen univerzálisan használhatók bármilyen digitális területen. Ugyanakkor a tranzisztoroknak is vannak hátrányai, hiszen nem képesek megbirkózni a túl nagy feszültséggel, túlzottan melegszenek és viszonylag sok teljesítmény szökik el működésük közben. A korábban használatos germánium-arany kombinációnál jóval hatékonyabbnak bizonyult a szilícium, de ennek is megvannak a korlátai.
Processzormagok és egy tízcentes
Manapság a félvezetőgyártók legújabb eredményei mindig az egyre kisebb méretű tranzisztorokkal kapcsolatosak, hiszen minél kisebb felületre tudnak egyre több tranzisztort bezsúfolni, annál hatékonyabb lesz az egész szerkezet, mondjuk egy processzor működése. A legelső tranzisztort bárki könnyedén a kezébe vehette, nézegethette, hiszen egy kisebb gyerek fejének a méretével volt azonos, míg pár évvel később egy egység mindössze néhány centiméteresre zsugorodott. A digitális forradalom eredménye pedig mára a szabad szemmel nem is látható tranzisztor. Az Intel legelső számítógép-processzora, a 4004 kódjelű ugyan mai szemmel nevetséges teljesítményű, de már ebben az 1971-es modellben is mindössze 10 mikron méretű volt egy tranzisztor, melyből összesen 2300 darab volt egy chipben.
1989-re ez a méret tizedére csökkent, sikerült elérniük az 1 mikron méretet. Az ekkor piacra dobott 25 MHz-es órajelű 486-os processzor viszont már 1,2 millió darab tranzisztort hordozott magában. Sokan erre a modellre már biztosan nem emlékeznek, ellentétben a Pentium névvel, aminek első darabja 1993-ban egy 66 MHz-es CPU volt 3,1 millió darab 0,8 mikron méretű félvezető eszközzel. A fejlődés pedig továbbra is egyre csak gyorsult: alig 7 évvel később az Intel bejelentette a Pentium sorozat negyedik generációját, ahol az építőkockák mérete már mindössze 180 nanométer volt, míg számuk elképesztő mértéket ugorva 42 millióra nőtt.
Kezdetben még nagyobbak voltak
2002 után viszont a méretcsökkentés már nem volt olyan egyszerű, mint korábban, hiszen kezdtek olyan határokat elérni, ami alá egyre nehezebb menni. A 90, majd 65 nm után nemrégiben már a 45 nm csíkszélességű tranzisztorokkal szerelt négymagos processzorok kerültek a boltok polcaira. Ezeken négy processzormag működik egy lapkán közösen, mindegyik 3 GHz feletti órajelen duruzsolva, a tranzisztorok számát tekintve pedig a Pentium 4-hez képest is közel 10-szeres növekedéssel sikerült 410 (kétmagos) vagy 820 (négymagos) millió darabot beletuszkolni.
A tranzisztorokhoz kapcsolódik a sokat emlegetett Moore-törvény, amely kimondja, hogy a mikroprocesszorokban fellelhető tranzisztorok száma átlagosan tizennyolc havonta a duplájára nő. Ennek végét már évekkel ezelőtt megjósolták, a fizikai korlátok ugyanis az előrejelzések szerint egy bizonyos ponton túl lehetetlenné teszik majd a további zsugorítást. Szakértők szerint a tökéletesítgetés, a csíkszélesség leszorítása helyett ezért a belátható jövőben a komponensek kombinálása veszi majd át a főszerepet, ahogyan azt a háromdimenziós kialakítású technológiák esetében is javasolják. Nem lebecsülendő azonban az újabb anyagok bevonásának jelentősége sem, ahogy azt a két processzorgyártó már sikeresen megvalósította.
Nem túl látványos jövő
A számok mára elképesztővé váltak. Gordon Moore törvényei eddig működőképesnek mutatkoztak, ami ennyi év után azt jelenti, hogy a processzorgyártók akár minden hangyának gyárthatnának egy tranzisztort a Földön, akár évente újat is. Szemléltetésként érdemes összehasonlítani a 45 nm-es nagyságot teljesen hétköznapi dolgokkal, mint az emberi köröm vastagsága, ami 20 millió, vagy az emberi hajszál, ami 90 ezer nanométer.
Elképesztően hangzik, de egy gombostű fokára körülbelül 30 millió 45 nm-es tranzisztort lehetne kényelmesen elhelyezni, de akár egy vörösvérsejt felületén is több száz férne el belőlük. Emellett persze a működési sebesség is drámaian megnőtt, hiszen egyetlen másodperc alatt ezek a parányi egységek képesek 300 milliárdszor kinyitni/visszazárni, ami a gyakorlatban annyit tesz, hogy a fény 3,5 millimétert tesz meg annyi idő alatt, amíg egy ilyen tranzisztor kinyit vagy bezár. A "felgyorsult életünk" közhely ezek után talán mindenki számára érthetőbb egy kicsit. A Moore-törvény ezzel együtt 2020 táján érvényét vesztheti, addigra kell tehát előállni valami újjal. Sokan a nanotechnológiában vélik megtalálni az utódot, ám kérdés, hogy a gyakorlati alkalmazásokban mikor juthatnak érvényre ezek az új megoldások, illetve hogy ezek milyen következményekkel járnak majd.
