Křemíkové čipy jsou dnes základem téměř veškeré elektroniky kolem nás. Jejich výkon jde dopředu velmi vysokým tempem a stále se dodržuje Moorův zákon, který udává, že se počet prvků v čipu či obecně složitost čipu zdvojnásobí každých přibližně 18 až 24 měsíců. V této dekádě nás ale čekají zcela nové výzvy, přicházející kvůli zmenšování na takovou úroveň, že už dochází k ovlivňování chování vnitřních komponent čipu kvantovými jevy.
Začalo to mikrometry
První komerčně dostupná výroba tranzistorů začala v roce 1971, kdy byla velikost tranzistoru 10 mikrometrů. V roce 1984 už ale začala výroba prvních čipů postavených na 1mikrometrových tranzistorech.
V roce 1987 se objevily první „nanometrové“ čipy, konkrétně s velikostí tranzistoru 800 nm. V roce 2003 jsme se poprvé dostali k hranici 90 nm a v letošním roce poprvé dojde k hromadné výrobě čipů s 5nm tranzistory. Jako první budou součástí nové generace iPhonů a dalších zařízení od společnosti Apple.
Pravidlo je relativně jednoduché – čím menší je tranzistor, tím více jich lze na stejnou plochu dostat a tím pádem stoupá i výkon a další možnosti čipu. Zároveň dochází i k vyšší efektivitě, takže čipy jsou stále výkonnější a zároveň spotřebují méně energie za stejnou práci.
I když se sledování nanometrů v dnešní době stalo pouze jednou z oblastí srovnání (důležitý je například i parametr množství logiky na cm² a další), stále hraje velikost tranzistoru velkou roli při posouzení pokročilosti čipu.
Budoucí vývoj
Současným lídrem v oblasti výroby čipů je společnost TSMC, která na konci minulého roku investovala 20 miliard dolarů na stavbu nové továrny pro 3nm čipy. Ty se začnou hromadně vyrábět v roce 2023.
Investice do vývoje a továren stále pokročilejších čipů totiž neustále narůstají a tak se nelze divit, že zbylo na tomto poli už jen několik hráčů, schopných držet krok a investovat podobně vysoké částky, které se musí vrátit prodejem velkého množství čipů.
Další iterace by měla zahrnovat 2nm čipy, které přijdou kolem roku 2025 a na rok 2029 se očekává, že už se bude používat 1,4nm výroba. Jak je vidět, krůčky už budou čím dál menší a pomalejší. K výrobě se musí rovněž používat nové technologie jako třeba EUV.
Kvantové efekty
Vzhledem k tomu, že velikosti prvků, které mají zamezovat průniků elektronů, jsou už tak malé, dochází k působení kvantových efektů. Elektrony zkrátka projdou přes překážku, jako kdyby neexistovala. To způsobuje úniky napětí a problémy, znamenající chybné chování čipů.
Řešením této situace jsou zcela nové materiály a struktury, vyvíjené vědci po celém světě a lze očekávat, že během tohoto desetiletí bude vše připraveno na to, abychom se dostali na novou úroveň – stovky pikometrů v rámci jediného tranzistoru.
A pokud půjde vývoj podobným tempem bez problémů, tisíckrát menších čipů v oblasti femtometrů se dočkáme kolem roku 2075 a prvních attometrových čipů pak v roce 2120. Jen pro srovnání – proton má průměr 1,65 femtometru. V obou případech lze ale předpokládat, že už se bude pracovat s fotony namísto elektronů.