Blížíme se k limitům křemíkové litografie

Blížíme se k limitům křemíkové litografie – OBSAH

1. Čipy menší než atomy? To nejde!
2. Musíme najít nové materiály
3. Nebo zvolíme úplně jiný design čipů?

Čipy menší než atomy? To nejde!

Problém je v tom, že tady zmenšování prakticky končí. První náznaky problémů se objevily už před dvaceti lety, kdy cena vývoje a výroby čipů začala růst, ale dnes bojujeme s jinou hranicí – s velikostí jednotlivých atomů. Už u dnes zastaralého 14 nm výrobního procesu mělo hradlo na šířku zhruba 36 atomů – a dnes se blížíme k velikosti, kde už ho tvoří jen několik jednotlivých atomů.

A dál už zmenšovat nejde, protože – slovy profesora Farnswortha z Futuramy, „to by vyžadovalo mnohem menší atomy a ty jsou hrozně drahé“. Vážně – nemůžeme stavět menší struktury, než jsou atomy, to je absolutní limit. A tomu limitu jsme opravdu, opravdu velice blízko – realisticky se počítá ještě se 2 nm v roce 2024, ale jestli to půjde dál, se už neví.

Musíme najít nové materiály

Další cesty vpřed zahrnují například použití nových materiálů. Vyvíjejí se grafénové tranzistory – grafén je forma uhlíku v podobě jednoatomové ploché vrstvy, která dovoluje stavět řídící prvky právě o šířce jednoho atomu – jedné třetiny nanometru. Dál to už nejde – a musí se jít jinou cestou, přičemž se preferuje vrstvení (sendvičování), při kterém se jedna výpočetní vrstva umisťuje přímo na druhou. To přináší svoje vlastní problémy, ať už při výrobě, anebo při zhoršeném odvodu generovaného tepla, které je u takto malých struktur opravdový problém.

Většina výrobců se smiřuje s tím, že po určitou dobu bude dvounanometrová silikonová technologie to nejlepší, co dostanou do rukou. I zde se experimentuje s technikami, které by mohly zlepšit využití místa.

Na jedné straně jsou čipy zabírající celou plochu leptaného křemíku – waferu, tak zvané wafer-sized chips, které vyvíjí například firma Cerebras. Ty jsou určené jako akcelerátory pro velké počítače pracující s umělou inteligencí a jeden wafer-sized čip CS-1 jim dává výkon srovnatelný s deseti tisíci GPU předposlední řady – samotný se dá klasifikovat jako superpočítač.

Nebo zvolíme úplně jiný design čipů?

Jiné technologie se snaží sendvičovat jednotlivé části čipů (čiplety) přímo na sebe a propojovat je mezi sebou, což by dovolilo například propojit paměť RAM extrémně vysokorychlostně přímo s procesorem nebo grafickým jádrem. Dalším směrem je zvýšení inteligence klasických čipů, jako je doplnění paměti RAM o schopnost provádět jednoduché výpočty přímo v paměťových buňkách (In-Memory Computation). Jde o specializované využití akcelerující práci s maticemi, které je důležité například pro umělou inteligenci, ale i pro další speciální aplikace.

V klasické elektronice se postupuje směrem k vyšší integraci čipů, které vidíme například u Apple M1 a M2, příchod specializovaných akcelerátorů pro umělou inteligenci (tenzorové akcelerátory, Tensor Processing Unit – TPU) a hardwarovou akceleraci enkódování a dekódování videa a kryptografie. Nejde o revoluční, ale spíše o evoluční kroky, které dovolují novým procesorům pracovat efektivněji a odložit neustále opakované úlohy na optimalizovaný hardware, který je nejen výkonný, ale i úsporný.

V oblasti vysoce výkonných čipů postupně nastává problém, který se projevuje například tím, že nové procesory CPU a grafické procesory GPU jsou stále větší a mají stále větší spotřebu, aby se dostaly na vyšší kmitočty, což si vynucuje příchod lepšího chlazení. Nyní už ale nemůžeme počítat se snadnou další miniaturizací, takže patrně přijde éra optimalizace a změn v architekturách počítačů, které se pokusí získat rychlost jiným způsobem, například právě vyšší integrací jednotlivých komponent, a tedy snížením latencí při přenosu dat uvnitř počítače.

Časem nepochybně přijdou i nové a revoluční materiály a možná i celé principy, ale už to nepůjde tak snadno, jak předpovídal Gordon Moore – budeme muset hledat nové a dost možná neobvyklé cesty dál.

Michal Rybka

Michal Rybka je publicista a nadšenec s 20 lety zkušeností v IT a gamingu. Je kurátorem AlzaMuzea a YouTube kanálu AlzaTech. Napsal několik fantasy a sci-fi povídek, které vyšly v knižní podobě, a pravidelně pokrývá páteční obsah na internetovém magazínu PCTuning.