Integrovaný obvod – základní kámen informační revoluce Cena „za IC z TI pro IT“ JAN VALENTA 1. Část Kilbyho zápisků se schematickým náčrtem koncepce integrovaného obvodu (1958)
Tyranie množství – pan Kilby přichází na scénu
NOBELOVA CENA ZA FYZIKU
Na rozdíl od vynálezu tranzistoru byl integrovaný obvod vynálezem s relativně malými vědeckými důsledky […] určitě lze říci, že v té době poměrně málo přispěl k rozvoji vědeckého myšlení. J. Kilby
Přelom tisíciletí vyvolává zvýšenou potřebu hodnotit minulost a zamýšlet se nad budoucností naší civilizace. Vyhlášení laureátů Nobelovy ceny za rok 2000 naznačuje, že i nobelovská komise vybírala pod vlivem „Y2k“, před nímž se koncem r. 1999 třásl nejeden majitel počítače. Patrně chtěla symbolicky zdůraznit, co hluboce mění náš lidský svět, co bylo podmínkou rozvoje a co bude hrát zásadní roli v třetím tisíciletí: zpracování, šíření a ukládání informací – informační technologie (módní je zkratka IT). Dnes zpracování informací zajišťují integrované obvody, velkokapacitní přenos po optických vláknech umožňují rychlé elektronické a optoelektronické součástky a z chemického hlediska jsou nejpozoruhodnější (a pro informační technologie velmi perspektivní) vodivé polymery. A už tu máme klíč použitý k rozluštění hádanky, koho vyznamenat nejprestižnějšími cenami za fyziku a chemii v roce 2000. Svou „polovinu“ Nobelovy ceny za fyziku získal J. Kilby za návrh a realizaci prvního integrovaného obvodu (IC, integrated circuit).
Dr. Jan Valenta, PhD., (*1965) vystudoval chemickou fyziku na Matematicko-fyzikální fakultě UK v Praze, kde se nyní zabývá optickými vlastnostmi polovodičů a nelineární optikou. (e-mail:
[email protected])
U firmy Texas Instruments (TI) nastoupil v květnu r. 1958 mladý inženýr Jack Kilby. Byl pověřen prací na mikromodulech. Šlo o jednotlivé elektronické součástky upravené do stejně velkých modulů (nabízí se analogie s „kostičkami“ lega) tak, aby se mohly snadno spojovat podle potřeby toho kterého obvodu. Tato koncepce měla oslabit vládu tyranie množství . Termínem se označovaly potíže vznikající u složitých obvodů (se stovkami či tisíci diskrétních součástek), u nichž roste strmě počet kontaktů mezi součástkami a s ním i nároky na výrobu (cena) a nebezpečí, že vznikne porucha. Mikromoduly měly stavbu obvodů zjednodušit a zlevnit. Ekonomické odhady ovšem na velké úspory neukazovaly a hlavní problém – vysoký počet součástek – zůstával. V červenci většina zaměstnanců odjela na dovolenou a Kilby zůstal v laboratoři téměř sám. Na dovolenou ještě nárok neměl, zato měl spoustu času a klid na přemýšlení. Rozvažoval, čím by se mikromoduly daly nahradit, a uvědomil si, že jediné, co lze v polovodičové firmě dělat efektivně, jsou polovodiče. Nemohly by se tedy z polovodiče vyrobit všechny součástky obvodu? Polovodičové diody a tranzistory se už sice vyráběly, ale pasivní prvky (odpory a kondenzátory) ještě ne (stačily na ně totiž levnější materiály než tehdejší polovodiče). „Mělo by to jít!“ říkal si Kil-
JACK ST. CLAIR KILBY (* 8. 11. 1923 V JEFFERSON CITY, USA) Jeho tatínek vedl malou energetickou společnost v západním Kansasu, zabýval se i amatérskou radiotelegrafií, a tím podnítil synův zájem o elektroniku. Kilby svou dráhu nezačínal jako vynikající student. Nemohl jít na Massachusettskou techniku a na Illinoiské univerzitě patřil jen k průměru. Pracoval nejprve (1947–58) u firmy Centralab, která vyráběla zapouzdřené obvody. V květnu 1958 přešel k Texas Instruments (TI) Incorporated, kde krátce po nástupu navrhl a uskutečnil první integrované obvody. Později pracoval na systémech, které tento vynález využívaly. Zastával různé řídicí funkce – mimo jiné řídil tým, který během dvou let vyrobil první kapesní kalkulátor. Tento výrobek měl ukázat možnosti integrovaných obvodů a podnítit zájem ostatních firem, což se povedlo dokonale. Po roce 1970 Kilby z TI odešel (resp. působil tam už pouze jako konzultant) a pracoval jako nezávislý badatel a vynálezce. V letech 1978–84 byl profesorem elektroniky na Texas A & M University. Dnes je konzultantem více firem a ředitelem několika společností. Je držitelem více než 60 amerických patentů. Získal četná ocenění za průkopnické práce na polovodičových integrovaných obvodech, např. Národní medaili za vědu (1970). Byl též jako vynálezec uveden do Národní síně slávy. Říká se o něm, že je jedním z mála lidí, kteří mohou na každém kroku pozorovat, jak výrazně jejich dílo změnilo svět. On sám ale tak rozsáhlé zásluhy skromně odmítá: „Myslím, že moje práce pravděpodobně ukázala nový přístup k tvorbě obvodů, a tím odstartovala nové odvětví, ovšem velká část pokroku dosaženého od té doby není přímým důsledkem mé práce.“
24
VESMÍR 80, leden 2001 l http://www.cts.cuni.cz/vesmir
Druhý v řadě, ale nepřehlédnutelný – Robert Noyce Jak už to bývá, významné vynálezy přicházejí v době, kdy vývoj dozraje, a tak k němu často dospěje něPREHISTORIE POLOVODIČOVÝCH TECHNOLOGIÍ Mohli bychom začít objevem elektronu a přes pochopení stavby atomu, kvantovou teorii a energetické schéma pevných látek bychom se dostali do doby prvního použití polovodičů pro elektronické součástky (usměrňovače) v době před 2. světovou válkou (viz Data a souvislosti, s. 30). Elektronika už tehdy byla na slušné úrovni, existovalo rádiové a telefonní spojení, rozhlas, záznam a reprodukce zvuku atd. – srdcem těchto zařízení byly vakuové elektronky a elektromechanická spínací relé. Výroba součástek byla perfektně zvládnuta a zdálo se, že jejich výrobci mají na dlouhou dobu o odbyt postaráno. Byli však mnozí, jimž nedávaly spát zásadní nedostatky elektronek: velké rozměry, křehkost, krátká životnost, velká spotřeba, vyzařování značného množství tepla apod. Nešlo by podobné součástky vyrobit z vhodných pevných látek, bez skleněných baněk, vakua a žhavených katod? Polovodiče se v té době používaly spíše okrajově. Zejména se uplatňovaly usměrňující vlastnosti spoje kov-polovodič (používaly se především sulfid olovnatý, selen, karbid křemíku, selenid kademnatý, oxid zinečnatý, oxid měďnatý, křemík a germanium). Usměrňovače neměly dobře definované vlastnosti, součástky se výrazně lišily jedna od druhé. Problémem byla čistota používaných polovodičů, neexistovala ani teorie vysvětlující funkci polovodičových prvků. Výroba byla založena jen na umu a empirických zkušenostech. Etapa významného pokroku teorie a technologie polovodičů nastala teprve ve 30.–50. letech. W. Schottky a N. Mott vysvětlili usměrňování na spoji kov-polovodič, podařilo se pochopit dvojí typ vodivosti (typu n a typu p, vyvolaný přebytkem nebo nedostatkem vodivostních elektronů) a usměrňování na p-n přechodu. Byly vyvinuty metody přípravy čistých monokrystalů (zpočátku hlavně germania), leptání a difuzního zavádění příměsí. První tranzistor (viz obr. na dvoustraně 30–31) – dlouho hledaný „pevnolátkový zesilovač“ – sestavili (původně pro jiný účel) J. Bardeen a W. Brattain v Bellových laboratořích firmy AT&T před Vánocemi r. 1947. Šlo o hrotový tranzistor tvořený kontakty přitisknutými ke germaniové destičce. Princip jeho činnosti vysvětlil v následujícím roce W. Shockley a také navrhl praktičtější plošný tranzistor tvořený dvěma přechody p-n uvnitř krystalu polovodiče. Návrh se podařilo realizovat r. 1950. Plošné tranzistory už měly dobře definované vlastnosti a byly vhodné pro masovou výrobu. Rychlému rozvoji pomohlo i antimonopolní řízení, které už r. 1951 přinutilo firmu AT&T, aby začala prodávat licence na výrobu tranzistorů. Dalším milníkem pak bylo zahájení výroby křemíkových tranzistorů v Texas Instruments (r. 1954) a objev jedinečných vlastností oxidu křemičitého SiO2 (křemene), který se dá snadno vytvořit na povrchu krystalu. Koncem 50. let byly vytvořeny všechny vědecké a technologické předpoklady pro rozkvět polovodičového průmyslu.
ROBERT N. NOYCE, PŘEZDÍVANÝ „STAROSTA KŘEMÍKOVÉHO ÚDOLÍ“ (1927–1990) Syn kazatele, vyrůstal v Grinnell v Iowě. Jeho učitel na Grinnell College vlastnil dva z první série tranzistorů, které opustily Bellovy laboratoře, a seznámil s nimi své studenty. Když Noyce přišel v roce 1948 dělat doktorát na Massachusettské technice, věděl o tomto mladém oboru více než mnozí jeho profesoři. Krátce pracoval pro firmu Philco (výroba tranzistorů), a pak se náhle rozhodl odejít do Kalifornie a požádal o místo u nově založené společnosti Shockley Semiconductor. Spoluvynálezce tranzistoru W. Shockley však nebyl dobrým ředitelem a snášet jeho způsob jednání se spolupracovníky bylo zřejmě těžké. Po čase z firmy odešlo osm nejschopnějších mladých pracovníků (tzv. „zrádcovská osmička“), založili firmu Fairchild Semiconductor (1957) a 29letý Noyce, obdařený vůdcovskými schopnostmi, se stal generálním manažerem. V roce 1959 zde navázal na práci J. Hoeniho a vynalezl planární integrovaný obvod, který byl pro masovou výrobu mnohem vhodnější než první obvod Kilbyho. V roce 1968 pak Noyce s G. Moorem založili společnost Intel (dnes je největším výrobcem mikroprocesorů pro PC), kde byl Noyce až do r. 1975 prezidentem. V té době zde Ted Hoff vytvořil první mikroprocesor (1971), slavný 4004. (Uvádí se, že díky Fairchildu vzniklo ne méně než 150 společností, které se označují jako „Fairchildren“.) V obou společnostech Robert Noyce vytvořil atmosféru, v níž se otevřenost snoubila s odpovědností. Poučil se z Shockleyových chyb a poskytoval svým mladým nadaným pracovníkům ohromný prostor. Vytvořil tak pracovní styl, který vedl k fenomenálnímu úspěchu firem z kalifornského Křemíkového údolí.
kolik badatelů zároveň. To se stalo i v případě integrovaného obvodu. Nezávisle na Kilbym se myšlenkou integrace součástek zabýval v mladé kalifornské firmě Fairchild Semiconductor Robert Noyce. Počátkem r. 1959 pak vytvořil křemíkový integrovaný obvod planární technologií, která je pro levnou masovou výrobu mnohem vhodnější než Kilbyho obvod. Protože ve firmě Fairchild později už o aktivitách Texas Instruments věděli, vypracovali velmi podrobnou patentovou přihlášku a doufali, že se s podobným vynálezem Texas Instruments nebude překrývat. Pečlivá práce se vyplatila. První patent byl udělen 25. dubna 1961 Noycemu, zatímco Kilbyho při2. Počítač ENIAC v roce 1946
http://www.cts.cuni.cz/vesmir l VESMÍR 80, leden 2001
25
NOBELOVA CENA ZA FYZIKU
by. „A když už budou všechny součástky obvodu vyrobeny na bázi jednoho materiálu, mohly by být vytvořeny na jednom kusu polovodiče.“ Když se Kilbyho šéf vrátil z dovolené, myšlenku svého kolegy podpořil a už 12. září mohli vedení firmy předvést první tři funkční integrované obvody (oscilátory). Každý měl velikost asi 11×2 mm. Vyrobeny byly z kousku germania s kontakty (postaru) tvořenými přiletovanými drátky. 6. února 1959 firma podala patentovou přihlášku, a poté vynález předvedla veřejnosti. První integrovaný obvod byl vyroben s běžným vybavením, jako jsou pece, leptací zařízení, masky z kusu filmu apod. Nejdražší věc nestála víc než 10 000 dolarů. (Dnešní výrobní linky pracují s vybavením za miliony dolarů a celkem stojí miliardy.)
si usnadnilo rozhodování (Nobelovy ceny se neudělují in memoriam).
GORDON E. MOORE (*1929 POBLÍŽ PALO ALTO, KALIFORNIE)
Zrození mikroprocesoru (30. výročí)
NOBELOVA CENA ZA FYZIKU
S doktorátem z chemie a fyziky na Kalifornské technice byl právě takovým člověkem, jaké Shockley potřeboval do své firmy. Ani on však nevydržel ředitelovy zvláštní způsoby jak „motivovat lidi“ a odešel s dalšími sedmi „zrádci“ založit firmu Fairchild. Po jedenácti letech pak Moore s Noycem založili společnost Intel. V době, kdy Moore firmu vedl, přispěl výrazně k tomu, že se stala hlavním světovým producentem mikroprocesorů pro PC. Dnes je Moore emeritním předsedou představenstva Intelu. Proslul také jako „vizionář polovodičového průmyslu“ – v článku pro časopis Electronics r. 1965 předpověděl exponenciální růst počtu komponent na jednom čipu (Moorův zákon – viz protější stranu).
hláška byla stále ještě analyzována (patent mu byl udělen až r. 1964). Následovaly patentové spory, které skončily smírně. Prvenství Jacka Kilbyho bylo uznáno, ale nepochybné jsou i velké zásluhy Noyceho. V mnoha přehledech historie polovodičů se proto uvádějí jako vynálezci integrovaného obvodu oba dva. Robert Noyce však (před deseti lety) zemřel. Více než 40 let uplynulých mezi převratným vynálezem a udělením Nobelovy ceny zřejmě nobelovské komi3. Zleva: Patsy Simmersová s deskou počítače ENIAC, Gail Taylorová s deskou počítače EDVAC, Milly Becková s deskou počítače ORDVAC a Norma Stecová s deskou počítače BRLESC-I (rok 1962)
26
VESMÍR 80, leden 2001 l http://www.cts.cuni.cz/vesmir
...koncept známý jako planární integrovaný obvod obsahoval zásadní součásti a procesy, které dominují polovodičovému průmyslu dodnes… Jeho důsledkem se průmysl posunul hluboko do mikrosvěta a Američané dobyli Měsíc. George Gilder (1989)
V 60. letech už byly integrované obvody v prodeji, ale zpočátku o ně nebyl velký zájem. Měly jednu podstatnou vadu: oproti obvodům sletovaným z jednotlivých tranzistorů a dalších součástek na tištěném spoji byly dražší. Bylo třeba zdolat opatrnost a setrvačnost výrobců, dokázat jim, že integrovaný obvod přináší nesmírné výhody, a to nejlépe nějakým překvapivým použitím nové součástky. Proto firma Texas Instruments rozhodla, že vyvine elektronický kalkulátor, který se vejde do kapsy. Během dvou let (1967) byl na světě a byl to úspěch, i když si uvedení na trh vyžádalo delší dobu. K rozšíření integrovaných obvodů přispěl také program Apollo. Vlastně to bylo oboustranně výhodné spojení a šťastná časová koincidence. Integrované obvody umožnily vytvořit vhodné řídicí systémy pro let na Měsíc a na druhou stranu zvýšený odbyt integrovaných obvodů umožnil snížit jejich cenu, a tím zvýšit jejich dostupnost. Kalkulátory a počítače 3. generace (využívající integrované obvody) pak byly katalyzátorem dalšího
100 G
superpoèítaèe
10 G
Cray 2
Pentium PC
Cray 1 CDC 7600
100 M 5 milionù USD
10 M
IBM 704
100 k
Cray T90
Pentium III
Cyber 205
1G
1M
12 milionù USD
Macintosh IBM PC
5 tisíc USD
Altair 8800 Intel 4004
široce dostupné poèítaèe
30 tisíc USD
1960
NOBELOVA CENA ZA FYZIKU
1T
špièková rychlost [Hz]
MOORŮV ZÁKON V dubnu 1965 časopis Electronics slavil 35 let existence. Editoři požádali G. Moora, aby se pokusil odhadnout vývoj polovodičového průmyslu na dalších 10 let. Ten pak v článku Cramming more components onto integrated circuits napsal: Množství komponent na čipu vzroste každý rok přibližně na dvojnásobek. Jistě lze předpokládat, že se tento trend v kratším časovém horizontu udrží, či dokonce vzroste. V dlouhodobém výhledu už to není tak jisté. Není však důvod, proč by zmíněná rychlost růstu nemohla zůstat skoro konstantní nejméně 10 let. Tato předpověď Gordona Moora proslavila a vstoupila do historie jako Moorův zákon. A přitom integrovanému obvodu bylo tenkrát teprve 5 let a analýza vycházela z pouhých tří experimentálních bodů! Po deseti letech byl zákon poopra-
1970
1980
1990
2000
rok Machronův zákon: Cena posledních modelů počítačů je téměř konstantní, i když jejich výkon roste exponenciálně. (Podle: A. E. Brenner, Physics Today, s. 24, October 1996).
procesory DRAM pamìti
100 G
ven na „zdvojnásobení každých 18 měsíců“, ale jinak překvapivě dobře popisuje vývoj až do dnešních dnů (viz graf). Dnes se Moorův zákon uvádí v této podobě: Hustota obvodu nebo kapacita paměti se zdvojnásobuje každých 18 měsíců, neboli zčtyřnásobuje každé tři roky. Rostoucí „integrovanost integrovaných obvodů“ se někdy označuje zkratkami MSI (v polovině 60. let), LSI (začátkem 70. let), VLSI (v 80. letech) a ULSI (v letech 90.). Znamenají medium, large, very large a ultra large scale integration. Význam Moorova zákona je velký, často je vnímán jako barometr polovodičového průmyslu, měřítko pro hodnocení inovace a pokroku. Moorův zákon podnítil vznik několika doplňků, někdy humorně laděných, z nichž bych citoval dva nejzajímavější:
10 G
1G
100 M
10 M
1M
pøedpovìï SIA
100 k
2016 – 30 nm
10 k
1970
1980
1990
2000
2010
roky Moorův zákon: Exponenciální růst (svislá osa má logaritmické měřítko) hustoty prvků na integrovaném obvodu s časem. Ke zdvojnásobení dojde každých 18–24 měsíců. (Podle: Hutcheson a Hutcheson, Scientific American, s. 40, January 1996 a dalších zdrojů) Rockův zákon (2. Moorův zákon): Exponenciální růst investic nutných pro zavedení nové technologie výroby integrovaných obvodů. Dnes dosahují tyto investice několika miliard amerických dolarů. Za několik let se jejich hodnota přiblíží jedné desetině celkového světového obratu polovodičového průmyslu. (Podle: Y. Nishi, Physics World, s. 29, November 1995 a dalších zdrojů).
investice [miliardy USD]
100
10
desetina obratu svìtového trhu polovodièù
0,1
1970
1980
10 M 1M
100 k 10 k 1k
0,001
0,01
2010 – 70 nm 2000 – 180 nm 1995 – 350 nm
1986 – 1 µm 1979 – 3 µm 1974 – 6 µm 1971 – 10 µm 0,1
1
10
velikost strukturních detailù [µm] Dole: Hustota tranzistorů na čipech jako funkce velikosti minimální strukturní jednotky obvodu (obě osy jsou logaritmické). Při zachování současného vývoje by bylo kolem roku 2016 dosaženo rozlišení 20– 30 nm, při kterém se začnou silně uplatňovat kvantové rozměrové jevy a současná architektura čipu už nebude použitelná.
1
0,01
kvantový rozmìrový jev
molekuly
1k
poèet tranzistorù na cm2
100 M
nanokrystaly
Poèet tranzistorù na cm2
1T
1990
2000
2010
rok
pokroku. V roce 1969 japonská firma Busicom navrhla kalkulačku pro složitější výpočty a hledala výrobce schopného realizovat potřebných 12 typů specializovaných integrovaných obvodů. Volba padla na společnost Intel (založenou r. 1968 R. Noycem a G.
l Rockův zákon (někdy označován jako druhý Moorův zákon): Investice do nových zařízení na výrobu čipů se zdvojnásobuje každé 4 roky. Tento zákon překvapivě dobře platí (viz graf vlevo dole) a má zásadní význam pro ekonomiku polovodičového průmyslu, jak je diskutováno v textu. l Manchorův zákon: Počítač, který chceš, vždycky stojí 5000 dolarů. Bill Manchore Graf vpravo nahoře ukazuje, že to skutečně platí – ceny počítačů jsou v podstatě konstantní, ačkoliv jejich výkon exponenciálně roste podle Moorova zákona.
Moorem). Smlouva byla podepsána a práce svěřena talentovanému mladému vědci Tedu Hoffovi. Ten projekt posoudil a dospěl k závěru, že to nebyl dobrý obchod (dělat pro každou aplikaci nové obvody je velmi nákladné). Proto T. Hoff navrhl revoluční řehttp://www.cts.cuni.cz/vesmir l VESMÍR 80, leden 2001
27
NOBELOVA CENA ZA FYZIKU
KŘEMÍK VERSUS GERMANIUM Co způsobilo, že se v počátcích výzkumu (až do začátku 60. let) používalo více germanium a později převládl křemík? Jen několik rozdílných vlastností. Křemík a germanium jsou sousedící prvky IV. skupiny periodické soustavy. Tvoří pevné kovalentní krystaly se strukturou diamantu. Křemík je druhý nejrozšířenější prvek v zemské kůře, germanium je méně hojné; v čisté podobě se ale nevyskytují. Germanium se taví při nižší teplotě než křemík (937 °C oproti 1415 °C), je méně reaktivní, a proto jej lze snadněji připravit v čisté podobě. To byl hlavní důvod jeho obliby v počátcích tranzistorové éry. Na druhé straně má germanium užší pás zakázaných energií (ten odděluje valenční a vodivostní energetický pás). Valenční elektrony mohou zakázaný pás překonat tím, že získají energii např. z tepelných kmitů, pak se stávají pohyblivými a přispívají k elektrickému proudu), a proto jsou germaniové součástky použitelné jen do 70 °C, kdežto křemíkové i při teplotách přes 100 °C. Druhým zásadním důvodem pro křemík byl jeho jedinečný oxid: Vrstvu SiO2 lze velmi snadno připravit zahřátím křemíkového krystalu v kyslíkové atmosféře. Oxid je velice stabilní a ochraňuje povrch křemíku před změnami (pasivuje), je vynikajícím izolantem a zabraňuje difuzi příměsí. Navíc se dá dobře odleptávat. To vše jsou vlastnosti, které umožnily vývoj efektivní planární technologie výroby integrovaných obvodů z křemíku. Jednoduchý způsob jak vytvářet podobné vrstvy na germaniu nebyl nalezen. Tak tedy křemík zvítězil a nastala doba křemíková.
šení: vytvořit univerzální obvod schopný provádět základní logické operace, který by byl v každém přístroji ovládán potřebným programem uloženým v pevné paměti (ROM – Read Only Memory). Tak vznikla brilantní idea mikroprocesoru. Busicom souhlasil se změnami projektu a r. 1971 byl hotov první mikroprocesor: Intel 4004. V následujících třech desetiletích jsme byli svědky neuvěřitelného pokroku jak ve výkonu mikroprocesorů, tak v růstu kapacity jejich paměti, až jsme si na to pomalu zvykli a začali to brát jako samozřejmost. Jak dlouho ale může překotný rozvoj elektroniky trvat? Zkušenosti nás učí, že dlouhotrvající exponenciální růst se musí buď nasytit, nebo skončí katastrofou. Meze exponenciálního růstu a budoucnost elektroniky Exponenciální růst integrace čipů a dalších parametrů s časem nalezl vyjádření v Moorově zákonu (viz rámeček). Již téměř 40 let provokuje Moorův zákon mnohé ekonomy, technology i sociology, psychology nebo fyziky, aby zjišťovali důvody a mechanizmy dlouhé existence tohoto fenoménu. Předně je třeba si uvědomit, že nejde o přírodní zákon, ale spíše o společenský jev. Už jenom tím, že je „zákon“ vysloven a přechází v obecnou známost, začíná ovlivňovat vývoj, který popisuje. (Mluví se JAK JE TĚŽKÉ ODHADOVAT BUDOUCNOST Wolfgang Pauli (1931): Je lépe nepracovat s polovodiči, je to špína, kdo ví, jestli vůbec existují. Thomas Watson (1943), ředitel IBM: Myslím, že existuje trh tak pro pět počítačů. Časopis Popular Mechanics (1949): Počítače budou v budoucnu vážit necelé jeden a půl tuny. Ken Olson (1977), zakladatel Digital Equipment: Není důvod, proč by někdo chtěl mít počítač doma. Gordon Moore: Kdyby se automobilový průmysl zdokonaloval tak rychle jako polovodičové technologie, Rolls-Royce by ujel půl milionu mil na gallon paliva, a nakonec by bylo levnější se jej zbavit, než ho zaparkovat.
28
VESMÍR 80, leden 2001 l http://www.cts.cuni.cz/vesmir
o „sebeudržujícím“ ději.) Firmy se domnívají, že když nebudou udržovat předpovězené tempo vývoje, ocitnou se mimo hru. Uživatelé začnou automaticky očekávat, nebo i vyžadovat „předepsaný“ pokrok apod. Podle psychologů dává Moorův zákon lidem víru, že neustálý rozvoj elektroniky je možný. A kde je víra, najde se i způsob jak se k cíli dostat přes všechny technologické překážky. Samostatnou kapitolou je vývoj softwaru. Zvětšení kapacity a výkonu počítačů umožňuje softwarovým firmám vytvářet stále větší a složitější programy, čímž opět tlačí uživatele k nákupu novějších počítačů (např. program MS Word se za 18 let rozrostl z 27 tisíc řádků na 2 miliony). Jeden významný programátor formuloval pro software dva nové Parkinsonovy zákony: Software se rozpíná tak, aby zaplnil dostupnou paměť a Software se zpomaluje rychleji, než se zrychluje hardware. Tohle všechno byl, dá se říci, úhel pohledu uživatele vezoucího se v proudu pokroku elektroniky. Je tu však ještě pohled tvůrce inovací – výrobce čipů. Producenti integrovaných obvodů chápou, že miniaturizace přináší několikeré výhody: zvýšení rychlosti, snížení příkonu, růst spolehlivosti s integrováním více částí do jednoho čipu, a především výrazný pokles ceny. Některá vysvětlení jsou odvážnější, podle nich má technologie sama o sobě jakousi „přírodní sílu“, která ji tlačí k integraci do stále menšího prostoru. Technologické procesy však v sobě skrývají i meze vývoje – technické, fyzikální i ekonomické. Dnešní nejdokonalejší technologie UV-fotolitografie vytváří struktury o nejmenších rozměrech 180 nm (viz graf 4). Pokud by se tento rozměr ještě několikrát zmenšil, pak by při velikostech kolem 20 nm začal nabývat na důležitosti kvantový rozměrový jev. Vlnová délka de Brogliovy vlny elektronu by se totiž začala přibližně rovnat vzdálenosti bariér, které částici ve struktuře uzavírají. Kinetická energie elektronu by byla kvantována a spektrum energetických stavů by se začalo výrazně měnit v závislosti na velikosti struktury. Toto jsou vlastnosti typické pro nanokrystaly (J. Valenta, J. Dian: Pokroky MFA 42, 293–301, 1997). Nanostrukturní polovodiče se dnes intenzivně zkoumají. Hledá se jak je využít k vytváření logických obvodů, jednoelektronových tranzistorů apod. V každém případě se bude muset při dosažení rozměrů 10–20 nm celá koncepce stavby součástek 4. Experimentální křemíkové nanokrystaly (kvantové tečky) vytvořené elektronovou litografií a leptáním (autor: R. Juhasz, Královská technika ve Stockholmu). Struktury slouží ke studiu vlastností jednotlivých nanokrystalů. Obrázek je z rastrovacího elektronového mikroskopu.
NOBELOVA CENA ZA FYZIKU
a procesorů podstatně změnit. Mnoho různých postupů se studuje – např. kvantové počítače (Vesmír 76, 250, 1997/5), molekulární logické prvky, kvantové celulární automaty. Zatím se však zdá, že (podle Moorova zákona) nebudou včas připraveny převzít štafetu inovací. Mnoho zásadních otázek ještě zůstává nevyřešeno. Na druhou stranu kdo ví, třeba už dnes v některé laboratoři existuje ten pravý základ budoucí nanoelektroniky. Zdá se, že pro dnešní technologii bude hlavním omezením fotolitografie. Použitím některých z chemických UV laserů bude možno dosáhnout struktur až 70 nm malých, ale krátkovlnnější zdroje už nejsou dostupné. Šlo by použít rentgenové záření (pak ale není jasné jak udělat masky) nebo elektronovou litografii, ta však je velmi pomalá a nejde aplikovat v masové výrobě. A konečně tu máme omezení ekonomické, vyplývající z Rockova zákona. Náklady na vybudování nové technologie výroby rostou tak rychle, že brzy dosáhnou desítek miliard dolarů (a investice se musí rychle vrátit, neboť nové zařízení zastará za 3–5 let – Intel odepisuje své investice během 4 let). Firmy budou muset více spolupracovat, ale ani to nadlouho nepostačí. Ekonomické důvody budou zřejmě první, které způsobí zpomalení exponenciálního růstu podle Moorova zákona. Bylo by zpomalení růstu v horizontu deseti let katastrofou? Nebylo. Naopak, leckomu by přineslo výraznou úlevu po zběsilé jízdě. Mohla by se vytvořit širší nabídku procesorů, zlepšit architektura obvodů, zdokonalit software. Hutcheson a Hutcheson přirovnávají příběh polovodičového průmyslu k letectví. To také nejprve prodělávalo prudký rozvoj, který se soustředil jednak na zvyšování rychlosti, jednak na zvyšování kapacity. Obě tendence vyvrcholily Concordem, respektive Boeingem 747 (Jumbo Jet), pak už se vývoj soustře-
5. Konzola počítače BRLESC-I
dil na vytvoření široké palety menších letadel. Cílem byly úspornost a pohodlí pasažérů. Podobný vývoj lze sledovat i u dalších průmyslových odvětví. Ačkoliv je polovodičový průmysl v řadě ohledů jedinečný, lze z těchto analogií usuzovat, že vážnější krize jeho rozvoj v nejbližší době neohrozí. Nezbývá než ocenit um J. Kilbyho a dalších nesčetných tvůrců „polovodičového zázraku“, rozumně využívat jeho plody a s napětím sledovat pokračování jedinečné řady inovací vyjádřené Moorovým zákonem. Bystří čtenáři si z toho všeho pro sebe vyvodí praktické závěry: Ve chvíli, kdy si koupím nový počítač, je třeba začít šetřit na další. o MARCIAN E. „TED“ HOFF (* 28. 10. 1937 V ROCHESTERU, NEW YORK) Studoval elektroinženýrství na Rensselaerské polytechnice, a poté dělal doktorát na Stanfordu (1962), kde další 4 roky pokračoval ve výzkumné práci. R. 1968 se stal „zaměstnancem č. 12“ v právě založené firmě Intel. R. 1970 měl zajišťovat zakázku pro japonskou firmu Busicom. Ta Intelu zadala výrobu 12 typů čipů, které měly být použity v jejich kalkulátorech. Ted Hoff však navrhl, aby místo toho byl vytvořen jeden univerzální čip pro provádění základních logických operací – mikroprocesor. Tuto vynikající myšlenku pak uskutečnil a vznikl první mikroprocesor nazvaný 4004. Později se podílel i na vývoji následných procesorů Intel 8008 a 8080. V 80. letech byl Hoff technologickým ředitelem firmy Atari. Dnes je technickým vedoucím Teklicon, Inc. Z vyprávění jeho kolegy: Když se mi porouchá pračka, zavolám opraváře. Když se pračka porouchá chytrému člověku, jde, koupí si potřebný díl a instaluje ho sám. Když se ale rozbije Tedovi, tak Ted nejprve analyzuje problém, potom chybný díl navrhne lépe, sám si ho odlije, vysoustruží a instaluje. A stroj pracuje lépe než kdy předtím.
http://www.cts.cuni.cz/vesmir l VESMÍR 80, leden 2001
29
Nahoře: Pentium III – zatím předposlední přírůstek rodiny mikroprocesorů firmy Intel – vyráběný 180nm technologií na křemíkových substrátech o poloměru 30 cm. Od listopadu 2000 je v prodeji Pentium IV. Vlevo je pohled na celý substrát s jednotlivými integrovanými obvody před rozřezáním. Vpravo je detail jednoho procesoru. K článku Jana Valenty o Nobelově ceně za fyziku na s. 24.
Dole: Višnu odpočívající na svinutém těle tisícihlavého hada Šéši neboli Ananta. Višnu má čtyři ruce (větší počet rukou je znakem božství). V jedné ruce drží lasturu, v druhé disk, ve třetí kyj a ve čtvrté lotos. V nesmírně bohaté hinduistické mytologii nezaujímají hadi tak záporné postavení jako v judaisticko-křesťanské tradici, a ten největší z nich, tisícihlavý Ananta, má dokonce významné místo ve višnuistické kosmologii: v obdobích mezi zánikem jednoho a vznikem dalšího světa na něm spí Višnu, a když tento mocný bůh stvoří další svět, poslouží mu Ananta jako podpěra Země ve vesmírném oceánu; jeho občasnými otřesy vzniká například zemětřesení. Pašupatináth, Nepál. (Oficiálně je Nepál hinduistickou zemí, prolíná se v něm však hinduizmus s buddhizmem. Podle oficiálních statistik představují hinduisté 86,5 %, buddhisté 7,8 %, muslimové 3,5 % a křesťané 0,2 %.) Snímek © Zdeněk Thoma, k článku Dušana Zbavitele o indických hadech, léčitelích a náboženství na s. 50
2
VESMÍR 80, leden 2001 http://www.cts.cuni.cz/vesmir
