A jövő "önszerelő" számítógépes chipjei

A zsebünkben lévő telefont működtető tranzisztorok felfoghatatlanul parányiak: több mint 3000-et lehet elhelyezni az emberi hajszál átmérőjében. De ahhoz, hogy lépést tartsunk a fejlődéssel az olyan területeken, mint az arcfelismerés és a kiterjesztett valóság, még több számítási teljesítményt kell kihozni számítógépes chipjeinkből, és elfogy a hely. Ebben az előremutató beszélgetésben Karl Skjonnemand technológiai fejlesztő alapjaiban új módszert mutat be a chipek létrehozásához. "Ez lehet a molekuláris gyártás új korszakának hajnala" – mondja Skjonnemand.

A számítógépek hajdanán
szobanagyságúak voltak.

Most ott lehetnek a zsebünkben,

a csuklónkon,

még a testünkbe is beültethetők.

Ugye milyen remek?

Ez a tranzisztorok miniatürizálása
révén vált lehetségessé,

melyek apró kapcsolók

számítógépeink áramköreiben.

Évtizedeken át tartó fejlődés során

tudományos áttörésekkel,
a mérnöki munka bravúrjaival

és dollármilliárdok befektetésével
értük el mindezt.

Ez nagyfokú számítógép-használatot

és nagyméretű memóriát
hozott el nekünk,

valamint a napjainkban tapasztalható
és élvezhető digitális forradalmat.

De a rossz hír az,

hogy digitális útzárhoz érkeztünk,

mivel a miniatürizálás sebessége lassul.

Ez éppen akkor történik,

amikor a szoftverújítás
könyörtelenül folytatódik

mesterséges intelligenciával
és tömérdek adattal,

amikor eszközeink többnyire arcfelismerést
és valóság-kiterjesztést végeznek,

vagy akár autókat vezetnek
megbízhatatlan, kaotikus útjainkon.

Lenyűgöző!

De ha nem tudunk lépést tartani
szoftvereink étvágyával,

elérhetünk technológiánk
fejlődésének egy olyan pontjára,

ahol a szoftveresen lehetséges dolgok

hardvereink miatt korlátozottakká válnak.

Mind tapasztaltunk már régi okostelefon
vagy tablet miatti frusztrációt,

ahogy lassan működik, végül leáll

az egyre gyarapodó szoftverfrissítések
és új funkciók terhe alatt.

Amikor nem olyan rég megvettük,
még jól működött,

de a mohó szoftvermérnökök időközben

bekebelezték az egész hardverkapacitást.

A félvezetőipar nagyon is
tudatában van ennek,

és kreatív megoldásokon dolgozik,

a tranzisztorokon túlhaladva
a kvantumszámításig,

vagy akár másfajta szerkezeti felépítést
használva a tranzisztoroknál,

mint amilyenek a neurális hálózatok,

hogy erősebb, hatékonyabb
áramköröket készítsen.

De ezek a megközelítések időigényesek,

és mi sokkal inkább azonnali megoldást
keresünk erre a problémára.

A tranzisztorok miniatürizálása lassul,

amit a gyártási folyamatok
összetettebbé válása okoz.

A tranzisztorok valamikor
kézzelfogható eszközök voltak,

amíg fel nem találták

a tiszta szilíciumkristály lemezeken
[ostyákon] alapuló integrált áramköröket.

Ötven év folyamatos fejlődés után

a tranzisztorok méretei

tíz nanométeres dimenziókban járnak.

Egymilliárd tranzisztornál
is többet tudunk elhelyezni

egyetlen négyzetmilliméter szilíciumon.

Hogy jobban el tudják ezt képzelni,

az emberi hajszál 100 mikron vastag.

Egy lényegében láthatatlan vörösvértest

nyolc mikron átmérőjű,

így 12 férne el belőlük
a hajszál átmérőjén.

Egy tranzisztor ennél sokkal kisebb,

kis töredéke a mikronnak.

Több mint 260 tranzisztor

férne el keresztbe egy vörösvértesten,

és 3000-nél is több a hajszál átmérőjén.

Hihetetlen nanotechnológia
van a zsebükben.

Nyilvánvalóan előnyös, ha képesek vagyunk

több kisebb tranzisztort tenni egy chipre,

de emellett a kisebb tranzisztorok
gyorsabb kapcsolók,

ráadásul hatékonyabbak is.

Vagyis ez a kombináció
alacsony költségű, nagy teljesítményű,

magas hatékonyságú elektronikát
nyújt számunkra,

melyet ma mindnyájan élvezünk.

Az integrált áramkörök gyártásához

a tranzisztorokat rétegesen építik fel,

tiszta szilíciumkristály ostyára.

Igen leegyszerűsített formában,

az áramkör minden apró elemét

rávetítik a szilíciumlemez felületére,

és egy fényérzékeny anyagon rögzítik,

majd ezt az anyagot átmaratják,

mintát hagyva az alatta fekvő rétegekben.

E folyamat az évek során
drámaian fejlődött,

az elektronikának a ma ismert
teljesítményt nyújtva,

de ahogy a tranzisztorok mérete csökken,

elérjük ennek a gyártási technológiának

a fizikai határait.

A legújabb, e technológiára
épülő rendszerek

olyan összetetté váltak,

hogy darabonként több mint
100 millió dollárba kerülnek.

A félvezetőgyárakban
több tucat ilyen gép van.

Ezért az emberek komolyan megkérdőjelezik:
Életképes ez a módszer hosszú távon?

De mi hisszük, hogy képesek
vagyunk chipet gyártani

ettől teljesen eltérő,
költséghatékonyabb módon,

a természetet utánzó
molekuláris tervezéssel,

nanoméretű dimenziókban
állítva elő a tranzisztorokat.

A hagyományos gyártás fogja
az áramkör minden apró elemét,

és a szilíciumra vetíti.

De ha az integrált áramkör szerkezetét,

a tranzisztortömböket nézzük,

sok jellegzetesség milliószor ismétlődik.

Meglehetősen periodikus a struktúra.

Ebből a tulajdonságból
előnyt kovácsolhatunk

alternatív gyártástechnológiánkban.

Önszerveződő anyagokat kívánunk használni

a periodikus struktúrák
természetes formálódásához,

melyekre tranzisztoraink
miatt van szükségünk.

Anyagokkal valósítjuk meg ezt,

melyek elvégzik a finom mintázatok
kialakításának nehéz feladatát,

ahelyett, hogy a kivetítési technológiát
erőltetnénk minden határon túl.

Az önszerveződés a természetben
több helyen is megfigyelhető,

a lipidmembránoktól a sejtszerkezetig,

úgyhogy tudjuk,
hogy ez strapabíró megoldás lehet.

Ha elég jó a természetnek,
számunkra is az kell, hogy legyen.

Szóval, vesszük ezt a robusztus,
természetes önszerveződést,

és gyártásra használjuk fel
félvezető-technológiánkban.

Az egyik önszerveződő anyag -

szakaszos kopolimer -

két, egyenként néhány tíz nanométer
hosszú polimerláncból áll,

amelyek nem férnek össze,

taszítják egymást,

mint az olaj és a víz,
vagy mint a serdülő fiam és lányom.

(Nevetés)

De mi kegyetlenül összekapcsoljuk őket,

beépített feszültséget
hozunk létre a rendszerben,

amint próbálnak szétválni egymástól.

Az ömlesztett anyagban
ezek milliárdjai találhatók,

a hasonló összetevők
próbálnak együtt maradni,

az ellentétesek pedig
elkülönülni egymástól,

mindezt egyidőben.

Ez beépített feszültséget
hoz létre a rendszerben,

amely így mozog, formálódik,
és végül kialakul.

Ez a természetesen önszerveződő
forma nanoméretű,

hosszú, szabályos és periodikus,

azaz pontosan olyan, amilyenre szükségünk
van tranzisztortömbjeink számára.

Így már használhatjuk
a molekuláris tervezést

különböző méretű és periodicitású

alakzatok létrehozásához.

Ha például veszünk
két szimmetrikus molekulát,

ahol a két polimerlánc hasonló hosszúságú,

a természetes önszerveződéssel
kialakult forma

egy hosszú, kanyargós vonal,

amely nagyon hasonlít az ujjlenyomathoz.

Az ujjlenyomatvonalak szélességét,

és a köztük lévő távolságot

polimerláncaink hossza,

valamint a rendszer
beépített feszültsége határozza meg.

Ennél is kidolgozottabb
struktúrákat tudunk létrehozni

aszimmetrikus molekulák felhasználásával,

ahol az egyik polimerlánc
jelentősen rövidebb a másiknál.

Ebben az esetben a kialakult szerkezetben

a rövidebb láncok tömör labdaként
állnak össze középen,

és őket hosszabb, szemben álló
polimerláncok veszik körbe,

miközben természetes hengert formálnak.

A henger mérete,

és a hengerek közti távolság,
a periodikusság

ez esetben is a polimerláncok hosszától

és a beépített feszültségtől függenek.

Más szavakkal, molekuláris tervezéssel

nanoméretű alakzatok
önszerveződését idézzük elő,

ezek lehetnek terveinknek megfelelő méretű
és periodicitású vonalak és hengerek.

A kémiát és vegyészmérnöki
tudásunkat használjuk,

hogy legyártsuk ezeket a nanoméretű
jellemzőket tranzisztoraink számára.

De az önszerveződő alakzatok
létrehozásának képessége

csak félútig visz el bennünket,

mivel még el kell helyezni őket
az integrált áramkörben oda,

ahová tranzisztorokat kívánunk elhelyezni.

Ám ezt viszonylag könnyen el tudjuk érni.

Széles vezetőelemekkel rögzítjük
az önszerveződő alakzatokat

a kívánt helyre,

fennmaradó részüket pedig

párhuzamos helyzetekbe kényszerítjük,

a vezetőelemekhez igazítva.

Például, ha egy vékony,
40 nanométeres sort akarunk,

amelyet elég nehéz legyártani
a hagyományos vetítési technológiával,

a normál vetítési technológiával

legyárthatunk egy 120 nanométeres
vezetőstruktúrát,

ami három 40 nanométeres
sort fog létrehozni a vezetősávok között.

Így az anyagok végzik
a legnehezebb finom-mintázást.

Ezt a megközelítést nevezzük
"irányított önszerveződésnek".

A kihívás benne, hogy az egész rendszernek

majdnem tökéletesen kell igazodnia,

mivel egy apró hiba is
tranzisztor-meghibásodást okozhat.

Mivel áramkörünkben
tranzisztorok milliárdjai találhatók,

molekulárisan majdnem tökéletes
rendszerre van szükségünk.

Rendkívüli intézkedéseket fogunk tenni,

hogy ezt elérjük,

a kémiai tisztaságtól

az anyagok gondos előállításáig

a félvezetőgyárban,

hogy eltávolítsuk még a legkisebb
nanoméretű hibát is.

Az irányított "önszerelés" tehát
izgalmas, új szemléletű technológia,

ám egyelőre még
fejlesztési stádiumban van.

De egyre erősebb a meggyőződésünk,

hogy forradalmian új gyártási folyamatként

mutatjuk majd be a félvezetőiparnak

néhány év múlva.

Ha ezt elérjük, ha sikerül,

képesek leszünk folytatni

a tranzisztorok költséghatékony
miniatürizálását,

továbbfejleszteni a számítástechnikát,

így új lendületet adni
a digitális forradalomnak.

És mi több, ez egy új kor
hajnalát jelentheti

a molekuláris tervezésben.

Ugye milyen remek?

Köszönöm.

(Taps)