Uhlíkové počítače mohou být až tisíckrát rychlejší než ty křemíkové

Možná znáte Mooreův zákon, který zhruba tvrdí, že každých 18 měsíců se výkon počítačů, skrze vyšší hustotu tranzistorů, zdvojnásobí. V poslední dekádě mnozí bili na poplach před přirozenými limity zvyšujícího se výkonu – i hustota tranzistorů má svá fyzikální omezení. Již čtyři roky však pokračuje raketový vzestup jiného typu mikročipů založených na uhlíkových nanotrubicích. Kdy se jich dočkají i zákazníci, je však stále nejasné.

Dohnat a předehnat

Psal se říjen 2013, když jsme informovali o zlomové studii Stanfordské univerzity, která prolomila a vyřešila problém počítače využívajícího uhlíkových nanotrubic (carbon nanotube, CNT). Po dvě předešlé dekády byly sice CNT počítače z úst mnohých odborníků slibovány, experimentální pokusy s využitím uhlíkových nanotrubic v informatice však měly celou řadu problémů – především některé z trubic nerostly v požadovaných tvarech a jiné zase propouštěly elektřiny pořád, což je u polovodičů poněkud problémů. Přesnější výroba přitom ne a ne pomoct.

Jenže příslib CNT počítačů byl příliš lákavý, než aby zůstal ležet ladem. Uhlíkové nanotrubice především dovolují obvody dále zmenšit, a tak do ještě menšího prostoru vtěsnat mnohem víc tranzistorů, než kolik umí dnešní křemíkové polovodiče. Jinými slovy, rychlost se dále bude moct zvyšovat. CNT počítače navíc díky přirozeným vodivým vlastnostem svého materiálu potřebují menší elektrický příkon a méně se i zahřívají – a to znamená menší spotřebu baterií u mobilních počítačů (a telefonů), stejně jako snazší údržbu vlivem jednoduššího chlazení, méně prášení a vůbec vyřešení řady dnešních nešvarů.

Stanford namísto lepší a přesnější výroby tehdy problémy CNT systému v zásadě vyřešit tím, že je obešel – s pomocí komplexního, ale snadno aplikovatelného algoritmu se chybám při výrobě přizpůsobil, vadné obvody vyzkratoval, a mohl tak světu ukázat svůj počítač se 178 tranzistory. Na první pohled tedy cosi na úrovni počítačů ze 70. let. Spolu s dalšími navazujícími studiemi jiných univerzit a společností však tento průlom počítačům z uhlíkových nanotrubic umožnil doznat razantního rozvoje. Během následných dvou let CNT počítače dohnaly posledních 40 let vývoje a srovnaly náskok křemíku. Jiné hybridní čipy, využívající křemíku i uhlíkových nanotrubic, pak křemíkové počítače dvakrát překonaly. Nyní se úst IMB mluví dokonce o tom, že CNT počítače mohou mít až tisíckrát vyšší výkon.

Kdy budou na trhu?

Nejnovější šňůru inovací představila studie IMB pod vedením Quing Cao, které se s použitím nové produkční metody podařilo zmenšit CNT tranzistory na 40 nanometrů – nejmenší křemíkové tranzistory přitom mají kolem 100 nanometrů. To vzhledem k výhodám CNT znamená několikanásobné zrychlení hypotetického budoucího počítače oproti stejnému křemíkovému ekvivalentu. Jak se však má dosáhnout oné tisícinásobné kapacity? Inu, s využitím trendu doby – třetího rozměru.

Další aktuální práce, tentokrát pocházejí ze spolupráce Stanfordu a MIT, představila ústy vedoucího týmu vědců Maxe Shulakera prototyp 3D čipu, v jehož architektuře byla navíc zabudována RAAM paměť. Výsledek je nejkomplexnějším příkladem nanoelektroniky, který doposud vznikl.

Nejen horizontální, ale i vertikální stavba čipů by přitom bez CNT technologie nebyla možná. "Dnešní obvody jsou dvourozměrné, protože stavba konvenčních křemíkových tranzistorů vede k velmi vysokým teplotám přes 1000 °C," řekl ve vyjádření Shulaker, "Pokud nad tím vybudujete druhou vrstvu, její teplota poškodí vrstvu nižší." Jenže zmíněné CNT polovodiče generují až pětkrát nižší odpadní teplo, takže čipy o více vrstvách se díky nim stávají reálnou možností – a díky tomu, že do sebe integrují i operační paměť, odstraňují "komunikační zácpu" mezi procesorem a operační pamětí přítomnou v dnešních počítačích.

Doba nás předhání

Tisícinásobné zrychlení samozřejmě zůstává spíše možností vzdálenější budoucnosti, několikanásobné zvýšení rychlosti (a snížení spotřeby energie) je však skutečně na dosah. Kdy však dorazí k běžným uživatelům? S tím se žádný odborník prozatím nesvěřil. Jednoduše řečeno, nástroje pro příchod nové generace počítačů tu již jsou. Otázkou nyní je, jak stále velmi drahou produkci laboratorních prototypů realizovat v masovém měřítku.

Jistou šanci na správný tip nám může dát samotná historie křemíkových čipů. Na první patent tranzistoru došlo již v roce 1949, když svůj prototyp představil německý vědec Werner Jacobi. Byl však ještě z germania. To křemík nahradil až v půlce 50. let. Po patentových válkách v 60. letech pak levnější elektronika k zákazníkům přišla v letech 70. Samozřejmě jenom relativně – na Západě byly počítače o něco dostupnější, i na východě však již počítače byly častěji vidět v letech 80. Od 90. let se z nich stala norma a v poslední dekádě našly uplatnění i tam, kde by to Werner Jacobi nejspíše čekal jen stěží. Od prvních vynálezů po masové rozšíření to tedy máme přes půlstoletí.

Dnes je samozřejmě poptávka po rychlejších počítačích vyšší a existující, tak dlouho proto snad čekat nebudeme. Nuance průmyslové produkce jsou však docela jiná káva než experimentální vynálezy – ačkoliv je tak stále možné, že první komerční CNT počítače dorazí ještě do konce tohoto desetiletí, na stolech a v kapsách většího počtu zákazníků přistanou spíše až v druhé půlce desetiletí následujícího.

Text: Ladislav Loukota