Mooreův zákon: odhaluje nejen vývoj počítačových čipů

K aplikacím Mooreova zákona na vývoj života tedy můžeme být zdravě skeptičtí, ovšem není pochyb o tom, že má alespoň přeneseně velký vliv na vývoj a dostupnost energií, medicíny, vzdělání, finančního sektoru a dalších oblastí. Však jde o oblasti lidského pokroku, který přináší věda a právě ji v posledních letech ovlivnil především vývoj výpočetních technologií. Objevují se tak hlasy varující před tím, že konec platnosti tohoto zákona přinese krizi, a to ne pouze v počítačovém průmyslu, ale ekonomickou a celosvětovou, což je ostatně celkem logické. Však je obecným přístupem, že výrobci vyvíjejí nové a rychlejší počítače, mobily a jinou elektroniku tak, aby byla rychlejší než ta stará, a zákazníci tak po patřičné marketingové masáži pocítili nutnost vyměnit ji za tu starou, a to pokud možno ve stále větším měřítku. Pokud se ale vývoj zastaví, vyvstane velký a očividný problém, který lze ovšem ve světě PC pociťovat už dnes.

Kde kdo si dnes vystačí s letitým počítačem, který na běžnou práci bez problémů stačí. Morální životnost procesorů se značně prodloužila, což je stejné i u grafických karet, kde stále stejné čipy recyklují i samotní výrobci. V obou případech je na vině především to, že vývoj nových výrobních procesů je stále složitější a nákladnější. V případě procesorů kvůli tomu Intel v podstatě ztratil svého konkurenta, společnost AMD a ve světě grafických čipů zase vývoj zpomalilo to, že výrobci byli dlouho nuceni využívat stále stejný 28nm výrobní proces. Naopak ve světě chytrých telefonů je stále co nového vymýšlet a nabízet a existuje i dost nenasycených trhů, takže není divu, že ten zatím roste.
Dle různých předpovědí můžeme počátek konce Mooreova zákona očekávat možná již za 5 let. Dnes je k dispozici 14nm proces, v příštím roce to má být 10nm, v roce 2018 pak 7nm a projekce do budoucna končí zatím rokem 2020 a 5nm procesem, jímž vyrobené komponenty v čipu by měly mít velikost odpovídající asi 11 atomům křemíku, a to by měla být konečná. Může se ale ještě klidně stát, a je to i pravděpodobné, že tak rychle vývoj postupovat nebude, však už se zaváděním 40nm procesu měly některé firmy (TSMC) potíže a také je tu již zmíněná otázka ceny za tranzistor, která začíná pomalu stoupat, takže není vůbec jasné, zda výrobce zastaví fyzika, nebo ekonomie. Jenomže to vše se týká technologie křemíkových čipů, namísto níž by mohly nastoupit jiné.

Existuje mnoho nápadů, jak vyrobit nové typy tranzistorů s využitím jiných materiálů, které by se mohly přepínat rychleji než ty v křemíkových čipech, ale i ony mají ještě co nabídnout. Vzpomenout při tom můžeme na nový typ tranzistoru, který představil Intel již v roce 2011 a využil jej u své 22nm výrobní technologie a nyní i u 14nm, což mu mimochodem zajistilo dnešní náskok. Jde o Tri-gate tranzistory, jež řešily problém s úniky proudu tím, že využily do výšky narostlý kanál obklopený bránou, díky čemuž se zvýšila její plocha. Navíc se vedle sebe umístily rovnou tři takové struktury.
Ovšem i takto upravené tranzistory budou mít u nových výrobních procesů problémy s úniky proudu a podle viceprezidenta Mika Mayberryho z Intelu je dalším logickým krokem obklopení kanálu bránou ne ze třech, ale ze všech čtyřech stran. Pracovně se mluví o tzv. “gate-all-around” tranzistorech, které již byly zkušebně vytvořeny, ale jejich nasazení v masové výrobě bude prý složité. Vedle toho se uvažuje i o vrstvení tranzistorů na sebe, aniž by se ony samotné zmenšovaly, díky čemuž by byla vytvořena trojrozměrná struktura, ovšem pak by vyvstal problém s odvodem odpadního tepla.

Vylepšení stávajících technologií představuje platforma POET (Planar Opto-Electronic Technology), která pracuje s víceméně standardní CMOS a výrobou čipů pomocí litografie, ale využívá vedle elektrických také optické komponenty a technologii založenou na arsenidu galia, o níž se mluví již desítky let. Nejde o otázku budoucnosti, ale o přítomnost, neboť se předpokládá, že hodnota příslušného trhu GaAs IC dosáhne v roce 2017 už 8 miliard dolarů. Uvádí se také, že 40nm GaAs se vyrovná 14nm FinFET procesu ve výkonu a ve spotřebě dokonce i 10nm procesu. Udávaný potenciál je přitom úžasný: rychlost přepínání s frekvencí až 100 GHz s výhledem na 400 GHz, 10 až 100x energetická efektivita oproti křemíkové technologii a přitom mají být čipy GaAs nasazeny stejným způsobem jako klasické křemíkové čipy. Pokud tedy nějaká technologie má potenciál k oddálení konce Mooreova zákona, měla by to být právě GaAS. Otázka je, jakou pozici zaujme na trhu vedle tradičních technologií, což už závisí nejen na jejích technických vlastnostech.

Pokud se ale už oprostíme od křemíku, můžeme uvažovat o jemu příbuzných prvcích, které mohou jako polovodiče posloužit lépe a pracovat s nižšími hodnotami napětí s následkem nižší spotřeby. Jedním z takových materiálů může být další běžný prvek, a to uhlík, který je mezi výzkumníky asi nejpopulárnější. Experimentuje se jak s uhlíkem ve formě nanotrubiček, tak i ve formě jednoatomové vrstvy, kterou známe jako grafen. Elektrické vlastnosti nanotrubiček ale závisí na jejich průměru, takže jejich výroba musí být bezchybná a grafen zase nemá "zakázané pásmo" pro elektrony, takže je stále vodivý, a to je u tranzistorů poněkud problém. Proto se někteří orientují i na jiné materiály, jako je sulfid molybdenový, u nějž takový problém neexistuje. Všechno to jsou ale technologie ve stádiu výzkumu, čili cesta do továren je daleko.
Stejně daleko nebo ještě dále máme ke zpopularizovaným kvantovým počítačům, které spoléhají na fantastické vlastnosti světa kvantové fyziky a mechaniky. Kvantové počítače by mohly být úžasně rychlé v některých úkolech, jako je třeba nalezení prvočíselného rozkladu velmi velkých čísel, ale nevýhodou je právě jejich specializovanost, takže se nezdá, že by mohly nahradit běžné počítače. Intel také zkoumá využití spinu subatomických částic, což by umožnilo vyrábět subkomponenty "čipů" z 5 součástí a ne z 30, jako je tomu u tranzistorových čipů.

Neméně ambiciózní jsou projekty zkoumající neuronové sítě, a to ne virtuální v rámci umělé inteligence, ale opravdové sítě, jaké máme v mozku. Ty se totiž od počítačových čipů liší tím, že neurony mají tisíce spojení s dalšími neurony, o čemž si tranzistor může nechat zdát, stejně jako o tvorbě nových spojů, což předčí i to, že tranzistor se může přepnout rychlostí několika miliard za sekundu, zatímco komunikace mezi neurony je daleko pomalejší. Ale opět, takové počítače by asi nebyly vhodné pro tradiční úkoly, což jsou především výpočty, ale byly by schopny snadno rozeznávat třeba obrazová data. Právě z toho vychází třeba ověřovací systém Captcha, který nám předkládá obrázek se zdeformovanými znaky a čísly pro ověření, že s ním komunikuje člověk a ne program.
V několika příštích letech se tedy bude lámat chleba a my uvidíme, zda se vize konce Mooreova zákona začne naplňovat. Ukazatele by měly být především ekonomické než technologické a zvědaví můžeme být i na nové technologie, s jejichž pomocí budou výrobci chtít vyrábět stále výkonnější hardware a konec oddálit. Nemůžeme asi očekávat nic revolučního, jako spíše nové techniky výroby křemíkových tranzistorů a jako doplňková technologie je zvláště slibná GaAs.