Tranzistorul a înlocuit o tehnologie mai veche - tuburile cu vid. Tuburile nu erau de încredere, se spărgeau ușor, erau voluminoase și generau și multă căldură.
Primul tranzistor a fost un tranzistor cu contact punctual care măsura o jumătate de inch (1,27 centimetri) înălțime. Tranzistorul nu era foarte puternic, dar fizicienii au recunoscut potențialul dispozitivului. În scurt timp, fizicienii și inginerii au început să încorporeze tranzistori în diferite dispozitive electronice. Și pe măsură ce timpul a trecut, au învățat și cum să facă tranzistorii mai mici și mai eficienți.
În 1958, inginerii au atașat doi tranzistori la un cristal de siliciu și au creat primul circuit integrat din lume. La rândul său, circuitul integrat a deschis calea pentru dezvoltarea microprocesorului. Dacă compari un computer cu o ființă umană, microprocesorul ar fi creierul. Face calcule și procesează date.
În anii 1960, informaticianul (și co-fondatorul Intel) Gordon Moore a făcut o observație interesantă: a observat că la fiecare 12 luni, inginerii au reușit să dubleze numărul de tranzistori pe o bucată de siliciu de un inch pătrat. La fel ca un ceas, inginerii găseau modalități de a reduce dimensiunea tranzistoarelor. Din cauza acestor tranzistori mici avem dispozitive electronice precum computere personale și smartphone-uri. Fără tranzistori, am folosi în continuare tuburi de vid și întrerupătoare mecanice pentru a face calcule.
De la observația lui Moore, tendința de scădere a dimensiunilor tranzistorilor a continuat. În zilele noastre, numărul de tranzistori se dublează la fiecare 2 ani.
Dar asta ridică o întrebare interesantă: cât de mici pot obține tranzistorii și, prin extensie, procesoarele? În 1947, un singur tranzistor măsura puțin peste un cm înălțime. Până în anii 2010, Intel a produs microprocesoare cu tranzistori care măsurau doar 45 de nanometri lățime. Un nanometru este o miliardime dintr-un metru!
Intel și alți producători de microprocesoare lucrează deja la următoarea generație de cipuri. Acestea vor folosi tranzistori care măsoară doar 32 de nanometri în lățime. Dar unii fizicieni și ingineri cred că s-ar putea să ne confruntăm cu anumite limite fizice fundamentale când vine vorba de dimensiunea tranzistorului.
Din ce e construit un tranzistor?
Înainte de a trece la limitările fizice ale tranzistorilor, este de ajutor să știm în ce constă un tranzistor și ce face de fapt. Practic, un tranzistor este un comutator realizat dintr-un tip special de materie. O modalitate prin care puteți clasifica materia este să vă uitați la cât de bine poate conduce electricitatea. Aceasta împarte materia în trei categorii: conductori, izolatori și semiconductori.
Un conductor este orice tip de material format din atomi cu spații libere pentru electroni. Un curent electric poate trece printr-un material conductor - metalele tind să fie buni conductori.
Un izolator este o materie compusă din atomi care nu au spații de electroni disponibile. Ca urmare, electricitatea nu poate circula prin aceste materiale. Ceramica sau sticla sunt exemple bune de izolatori.
Semiconductoarele sunt puțin diferite. Sunt compuse din materie cu atomi care au un anumit spațiu pentru electroni, dar nu suficient pentru a conduce electricitatea așa cum o fac metalele. Siliciul este un astfel de material semiconductor. În anumite circumstanțe, siliciul poate acționa ca un conductor. Sub altele, acționează ca un izolator. Prin ajustarea acestor circumstanțe, este posibil să se controleze fluxul de electroni. Acest concept simplu este baza pentru cele mai avansate dispozitive electronice din lume.
Inginerii au descoperit că, introducând anumite tipuri de materiale în siliciu, ar putea controla conductivitatea acestuia. Materialul încărcat negativ are un exces de electroni, în timp ce materialul încărcat pozitiv are un exces de locuri libere în care electronii ar putea încăpea.
Electronica interpretează această comutare ca informații sub formă de biți și octeți. Așa procesează datele computerul și alte dispozitive electronice. Dar, deoarece electronica depinde de mișcarea electronilor pentru a procesa informații, acestea sunt supuse unor legi speciale ale fizicii.
Tranzistoarele de marimi nanometrice
Inginerii găsesc modalități inovatoare de a crea tranzistori din ce în ce mai mici. Dar este adevărat că într-o zi vom atinge limitele fizice ale cât de mici pot fi tranzistoarele tradiționale. Asta pentru că odată ce ajungi la scara nanometrică, ai de-a face cu lumea bizară a mecanicii cuantice . În această lume, materia și energia se comportă în moduri care par contraintuitive. Fizica cuantică este foarte diferită de fizica clasică.
Un efect cuantic este tunelul de electroni, care este un pic ca teleportarea. Când materialul este foarte subțire - grosimea unui singur nanometru (aproximativ 10 atomi de grosime) - electronii pot trece prin el ca și cum nu ar fi deloc acolo. Electronul nu face de fapt o gaură prin material. În schimb, electronul dispare de pe o parte a barierei și reapare pe cealaltă. Deoarece porțile sunt menite să controleze fluxul de electroni, aceasta este o problemă. Dacă electronii pot trece printr-o poartă în orice set de circumstanțe, nu există nicio modalitate de a le controla fluxul. În cazul tranzistoarelor cu scurgeri, fluxul de electroni nu poate fi controlat, astfel încât procesorul ar fi ineficient sau deloc funcțional.
Cu companii precum Intel care lucrează la tranzistori care măsoară doar 32 de nanometri în lățime, nu va dura mult până când stratul de oxid devine prea subțire pentru a acționa ca o poartă pentru electronii folosind tranzistoarele tradiționale. În timp ce inginerii s-au lovit de unele obstacole în timpul cursei pentru a micșora tranzistoarele în trecut, ei au găsit întotdeauna o modalitate de a rezolva problema. Dar acele zile s-ar putea încheia odată ce ne vom confrunta cu o lege fundamentală a fizicii.
Este posibil ca inginerii să descopere o modalitate de a crea un izolator eficient chiar și la o grosime de un nanometru. Dar chiar dacă reușesc să facă asta, nu este mult mai departe cu tranzistorii așa cum îi cunoaștem astăzi. La urma urmei, dincolo de scara nanometrică se află scara atomică, unde avem de-a face cu materiale care au doar câțiva atomi.
Asta nu înseamnă că tranzistorii vor dispărea. Dar ar putea însemna că progresele în dezvoltarea microprocesoarelor vor încetini. Îmbunătățirile puterii de procesare pot să nu continue să fie exponențiale. Dar companiile vor găsi probabil modalități de a îmbunătăți eficiența și performanța microprocesorului.
