Транзистор: 60 років великих звершень маленького елемента
03.12.07Етапи великого шляху
Телевізори, автомобілі, радіоприймачі, медичні та побутові прилади, комп’ютери, космічні «човники» і навіть програмовані дверні замки в готелях – напевно, складно собі уявити хоч один більш-менш складний електронний прилад з тих, що нас оточують, який не використовував би транзистори . Винахід транзистора 60 років тому співробітниками науково-дослідного центру Bell Labs стало найважливішим фактором, що стимулював впровадження багатьох чудових інновацій та розвиток технологій. Фактично, без транзистора було б неможливим існування практично всієї сучасної електронно-цифрової індустрії. Саме транзистор – крихітний пристрій, елемент мікросхеми, що діє подібно до мініатюрного вимикача і тим самим дозволяє реалізовувати алгоритми обробки інформації – забезпечив феноменальний тріумф комп’ютерів.
У чому секрет успіху? Мікроелектроніка неухильно розвивається, постійно збагачуючи інноваціями науково-технічну спільноту. Транзистори з кожним новим поколінням технологічних процесів їх виготовлення стають все компактнішими, швидкодіючими, дедалі економніше витрачають енергію. У листопаді 2007 р. інженери Intel – уперше за багаторічну історію існування напівпровідникових інтегральних мікросхем – порушили кремнієву монополію при виробництві транзисторів і ввели нові матеріали в структуру напівпровідникових компонентів.
Це дозволило створити мікропроцесори на базі мікроархітектури Intel< span style=”font-family: Arial;”>® Core™, що використовують революційну 45-нанометрову виробничу технологію із застосуванням підзатворного ізолятора (діелектрика) на основі гафнію з високим коефіцієнтом діелектричної проникності – high–kspan>, а також металевого затвора, що забезпечує рекордну продуктивність та ефективне енергоспоживання.
Що ж далі? Корпорація Intel має намір і надалі розсувати межі можливого за рахунок технологічних інновацій, щоб створювати нові види продукції, здатні якісно змінити наше життя – те, як ми працюємо, відпочиваємо, обмінюємося інформацією.
“Вимк” / “Вимк”
Офіційною датою появи на світ першого транзистора вважається 23 грудня (за іншими даними – 16 грудня) 1947 року, авторами цього чудового винаходу стали американські фізики Вільям Шоклі (William Shockley), Джон Бардін (John Bardeen) та Уолтер Браттейн (Walter Bratta) Щоправда, спочатку вчена громадськість зустріла цей винахід досить прохолодно, але вже у 1956 році всі три американці були удостоєні Нобелівської премії у галузі фізики. Причому, згодом Джон Бардін став єдиним за всю історію «нобелівки» двічі лауреатом в одній і тій самій номінації: друга премія в галузі фізики була присуджена йому в 1972 за створення теорії надпровідності.
Ну а сама назва – “транзистор” придумав їх колега Джон Пірс (John R. Pierce). У травні 1948 року він переміг у внутрішньому конкурсі, організованому серед співробітників лабораторії, на найвдалішу назву винаходу, якому на той момент виповнилося лише кілька місяців. Слово “transistor” утворено шляхом з’єднання двох термінів: “trans conductance” (активна міжелектродна провідність) і “variable resistor” або “var istor” (змінний опір, варистор).
Першими, хто почав активно застосовувати транзистори, були радіоаматори, які використовували ці елементарні прилади посилення сигналу. Саме тому перші портативні бездротові радіоприймачі п’ятдесятих років називалися транзисторними, або навіть просто транзисторами. Однак згодом вони почали використовуватися в основному як елементи інтегральних мікросхем, що забезпечило транзистору найважливішу роль у технічних досягненнях людства протягом останніх сорока років.
Цікаво відзначити, що транзистор, по суті, робить те саме, що й звичайний вимикач: включає та вимикає струм. Положення увімкнено для транзистора означає «1», положення вимкнено – «0». Величезна кількість транзисторів інтегральної мікросхеми генерує одиниці та нулі, які складаються у зрозумілий комп’ютеру бінарний код – «мова», яку комп’ютери використовують у процесі обчислень, обробки тексту, відтворення фільмів та аудіо, демонстрації зображень…
Транзистори та… рок’н’рол
Перший транзистор, струм в якому тек уздовж поверхні напівпровідника, використовувався для посилення електричного сигналу, що проходив через нього – транзистори справлялися з цим завданням ефективніше, ніж популярні в той час, але більш громіздкі і тендітні електронні лампи.
Щоб максимально прискорити популяризацію транзисторів, у науково-дослідному центрі Bell Labs було ухвалено рішення продати ліцензію на транзисторні технології. Ліцензію вартістю 25 000 доларів США придбали двадцять шість компаній. Проте задля комерційного успіху транзисторних технологій потрібно було привернути увагу масової аудиторії. Це стало можливим завдяки транзисторним радіоприймачам.
Перша модель такого пристрою, що містила аж чотири транзистори, була представлена у жовтні 1954 року. З появою портативного радіоприймача радіомани здобули можливість слухати музику та отримувати інформацію в будь-якому місці – цим одразу ж скористалася молодь, яка отримала можливість вирватися з-під батьківського піклування та самоствердитися за допомогою нової субкультури. Так портативне радіо стимулювало нову революцію… і музикою – в ефірі повсюдно зазвучав рок-н-рол!
Інтегральна мікросхема
До кінця 50-х років транзистор «влаштувався» в радіоприймачах, телефонах та ЕОМ, і хоча його розміри були набагато меншими, ніж у електронних ламп, для створення нового покоління електронних пристроїв цього було явно недостатньо. Щоб реалізувати величезний обчислювальний потенціал транзисторів, пристосувати їх для масового виробництва та знизити вартість, потрібен ще один винахід.
У 1958 році Джек Кілбі (Jack Kilby) з компанії Texas Instruments і Роберт Нойс (Robert Noyce) з компанії Fairchild Semiconductor, який згодом став одним з батьків-засновників корпорації Intel, винайшли спосіб об’єднання великої кількості напівпровідникових транзисторів в одну інтегральну схему. Це був гігантський крок уперед – адже колись окремі компоненти електричної схеми доводилося з’єднувати вручну.
У мікросхем було дві переваги: нижча вартість та вища продуктивність. Обидві переваги стали наслідком мініатюризації, яка забезпечувала експоненційне скорочення розмірів пристроїв і надзвичайну динамічність виробничого процесу. Гордон Мур (Gordon Moore), який у 1968 році разом із Нойсом заснував процесорний гігант Intel, в одній із журнальних статей сформулював прогноз, опублікований у 1965 році і отримав назву «закон Мура».
Відповідно до цього закону число транзисторів у мікросхемі мало подвоюватися кожні півтора-два роки, що у свою чергу забезпечувало б підвищення обчислювальної потужності та зниження кінцевої вартості продукту при його масовому виробництві. Можливість розміщення множини компактних елементів на поверхні малого розміру виявилася вирішальним фактором для успішного просування мікросхем.
Виробникам мікросхем вдається підтримувати це експоненційне зростання щільності розміщення транзисторів у мікросхемі протягом десятків років. Перший комп’ютерний мікропроцесор корпорації Intel 4004, випущений 1971 року, містив 2300 транзисторів. У 1989 році в процесорі Intel 486 їх було вже 1 200 000, а в 2000 процесор Intel Pentium 4 подолав рубіж в 42 мільйони. Новий чотириядерний процесор Intel Core 2 Extreme, створений на базі 45-нанометрової виробничої технології, містить 820 мільйонів транзисторів.
Ігри атомів
Закону Мура постійно пророкують смерть. Нескінченне експоненційне зростання неможливе за визначенням – і все-таки виробникам процесорів досі вдається оминати обмеження. У вересні минулого року Гордон Мур заявив, що закон його імені має всі шанси залишатися в силі ще як мінімум років 10-15, але потім можуть виникнути нові фундаментальні бар’єри на шляху його реалізації. Так чи інакше, але на цей найвідоміший закон комп’ютерного світу XXI століття чекали важкі часи.
Битва за мініатюризацію вичерпала можливості одного з найбільш критичних компонентів транзистора: прошарку з діоксиду кремнію (SiO2), що служила ізолюючим шаром між затвором транзистора та його каналом, яким тече струм, коли транзистор включений. З кожним новим поколінням процесорів цей ізолюючий шар ставав все більш тонким – поки два покоління тому його товщина не досягла значення 1,2 нм, або 5 атомів. Інженери Intel вже не змогли зробити цей шар тоншим хоча б ще на один атом.
У міру зменшення товщини ізолюючого шару ріст витоку. Ізолюючий шар почав пропускати струм усередину транзистора, поведінка пристрою змінилася, воно почало розсіювати все більшу кількість енергії. В результаті зросло споживання струму процесором, при роботі виділялася додаткова кількість теплоти.
Фундаментальна межа
Витік струму в транзисторі став серйозною проблемою напівпровідникової галузі: без прориву в цій галузі давно передбачена фундаментальна межа ставала непереборною. Причому це означало не тільки кінець закону Мура – цифрова революція останніх десятиліть раптово припинилася б. Комп’ютерні процесори, що практично подвоювали свою продуктивність кожні 24 місяці, могли канути в Лету.
Щоб знайти вихід із кризи, потрібно було збільшити товщину ізолюючого шару, але виготовляти цей товстіший шар з іншого діелектричного матеріалу з вищим коефіцієнтом діелектричної проникності (high-k) для збереження характеру взаємодії затвора та каналу. У січні 2007 року корпорація Intel оголосила, що вперше за сорок років ізолюючий шар складатиметься не з оксиду кремнію, а з матеріалу на основі гафнію, сріблясто-сірого металу, що перевершує кремній за електричними властивостями і дозволяє знизити струм витоку вдесятеро. Сам Гордон Мур назвав це велике досягнення “найважливішою зміною транзисторних технологій з кінця шістдесятих років”.
Однак цей прорив вирішував проблему лише наполовину. Новий матеріал виявився несумісним із важливим компонентом транзистора – із затвором. Ще гірше, що транзистори з новим ізолюючим матеріалом працювали менш ефективно, ніж зі старим. Тоді було запропоновано замінити і затворний матеріал: корпорація Intel відкрила унікальне поєднання металів, склад якого тримається в строгому секреті.
12 листопада 2007 року корпорація Intel представила нове покоління процесорів на основі цих матеріалів та 45-нанометрової виробничої технології. Нова виробнича технологія, тонша, ніж попередня 65-нанометрова, дозволила Intel майже вдвічі збільшити кількість транзисторів, що розміщуються на тій же площі кристала – тепер можна було вибирати між збільшенням загальної кількості транзисторів та зменшенням розмірів процесора. Новим транзисторам потрібно на 30% менше енергії для включення та вимкнення. У результаті нове покоління процесорів Intel, виготовлених за 45-нанометровою виробничою технологією, не лише демонструє рекордну продуктивність, а й знаменує прорив у галузі енергоспоживання.
Підвищення обчислювальної потужності, що є наслідком закону Мура, дозволяє людству ефективніше прораховувати шляхи вирішення найважливіших проблем, що стоять перед ним: зміна клімату, спадкові хвороби, таємниці генетики та ін. Сучасні шляхи і темпи вирішення подібних проблем ще п’ять років тому важко було собі навіть уявити. Нові програми допомагають змінити наше життя і зробити його ще безпечнішим.
Кількість транзисторів у процесорі:
Intel® 4004 1971 2300
Intel® 8086 1978 29 000
Intel® 486 1989 1 200 000
Intel® Pentium® III 1999 9 9 500 000
Intel® Pentium® 4 2000 42 000 000
Intel® Core™ 2 Duo 2007 410 000 000
Процесори та виробнича технологія:
1993 Intel® Pentium® 800 нм 800 нм
1999 Intel® Pentium® III 250 нм 250 нм
2002 Intel® Pentium® 4 130 нм 130 нм
2005 Intel® Pentium® D 80 90 нм
2006 Intel Intel Core™ 2 Duo 65нм
2007 Intel® Core™ 2 Duo 45 нм 45 нм
Web-droid редактор
Не пропустіть цікаве!
Підписуйтесь на наші канали та читайте анонси хай-тек новин, тестів та оглядів у зручному форматі!
![Read more](https://hi-tech.ua/wp-content/themes/softpress/img/new-arrow-one.png)
![Articles](https://hi-tech.ua/wp-content/themes/softpress/img/arrow.png)
Огляд смарт годинника Oppo Watch X: дорого і зі смаком
![views](https://hi-tech.ua/wp-content/themes/softpress/img/icons/eyeglasses.png)
![comments](https://hi-tech.ua/wp-content/themes/softpress/img/icons/speach.png)
![Oppo Watch X (OWWE231)](https://hi-tech.ua/wp-content/uploads/2024/08/oppo-watch-x-owwe231-01-300x225.jpg)
Флагманський годинник Oppo Watch X отримав актуальні технології та датчики. Він підтримує сотні режимів занять спортом і дозволяє сплатити за каву прямо під час прогулянки. Докладніше про годинник розповімо в цьому огляді
![News](https://hi-tech.ua/wp-content/themes/softpress/img/arrow.png)
Нові монітори Acer Nitro підтримують частоту оновлення до 600 Гц
Acer монiтор події в УкраїніКомпанія Acer розширила свою лінійку геймерських моніторів Nitro, представивши три нові моделі: Nitro XV240 F6, Nitro XV270 F5 та Nitro XV270U F5.
Гра-платформер Astro Bot від Sony побила рекорд високих оцінок у 2024 році
Sony ігриAstro Bot стала першою великою грою Sony, яка отримала українську текстову локалізацію, що наголошує на компанії до локальних ринків. Гра доступна у магазині PlayStation за ціною 1999 грн.