Jak mały może być obwód elektryczny?

Jak mały może być obwód elektryczny?

Pierwszy tranzystor był w przybliżeniu rozmiarów piłki golfowej. Dzisiaj, mając do wyboru różne znormalizowane techniki, inżynierowie mogą łatwo umieścić milion tranzystorów w pojedynczym układzie scalonym, nie większym od znaczka pocztowego. Z początkiem następnego stulecia liczba ta z pewnością się powiększy.

Za każdym razem, kiedy wzrasta, kurczą się rozmiary urządzeń elektronicznych i robimy następny wielki krok na drodze ku rewolucji informacyjnej. Gdy po koniec lat 60. kończyłem studia, obliczenia wykonywałem na najnowocześniejszym wtedy komputerze w Stanford Univer-sity, w środku rodzącej się Doliny Krzemowej. Maszyna zajmowała całe pomieszczenie i wymagała obsługi kilku osób. Instrukcji dostarczało się na stosie kart, a na wynik trzeba było czekać wiele godzin. Mimo to taka olbrzymia maszyna miała znacznie mniejszą moc obliczeniową niż dzisiejszy laptop, który moje obliczenia do pracy dyplomowej załatwiłby w kilka milisekund, a jej tekst napisał w zaoszczędzonym w ten sposób czasie. Tak więc wytwarzanie mniejszych obwodów może mieć rewolucyjny wpływ na nasze życie.

Lecz tu napotykamy problemy techniczne. Aby zmieścić więcej obwodów w układzie scalonym, naukowcy będą musieli zacząć wytwarzać tranzystory i elementy obwodów o rozmiarach porównywalnych ze średnicą kilku atomów (dzisiejsze elementy obwodów mają rozmiary kilku tysięcy atomów).

Standardowe techniki miniaturyzacji będące dzisiaj w użyciu są proste do opisania. W jednym z prostszych procesów podkład krzemowy pokrywa się materiałem podobnym do lakieru, zwanym ,,oporem”, i w nim zostaje wytrawiony wzór. Na przykład, zanim oświetlimy powierzchnię oporu zrobionego z określonego związku chemicznego, ulegającego pod wpływem światła przemianom (tak jak to się dzieje w przypadku błony światłoczułej), na wydzielonych obszarach może zostać umieszczona maska. Następnie do usunięcia nie przekształconych części stosuje się inne chemikalia, pozostawiając w oporze niezwykle subtelne linie i wzory.

Oczywiste jest, że wykonanie miniaturowych obwodów wymaga zdolności rysowania bardzo delikatnych linii. Dzisiaj robi się to zwykle za pomocą „ołówka” z wiązek elektronów o dużych energiach. Takie wiązki mogą żłobić w płytce krzemowej linie o szerokości od dwudziestu do czterdziestu atomów. Widziałem fotografie nazw kompanii lub agencji, wypisanych liniami o szerokości kilku atomów. To chyba ulubione hobby chłopców i dziewcząt w laboratorium – i, oczywiście, zwraca uwagę ich przełożonych.

Są jednakże granice tego, co można uzyskać, stosując wiązki elektronów, i naukowcy ciężko pracują nad wymyśleniem sposobów rysowania jeszcze cieńszych linii. Opowiem tylko o jednej eksperymentalnej technice dotyczącej „ołówka” całkowicie nowego typu. W technice tej naukowcy oświetlają światłem laserowym powierzchnię substancji, którą chcą wytrawić, a następnie kierują na nią wiązkę atomów. Pole elektryczne promienia świetlnego spycha atomy w doliny fal światła laserowego, pozostawiając puste wierzchołki fal. Przypomina to coś, co moglibyśmy ujrzeć na rzece, gdzie różne przedmioty unoszące się na jej powierzchni zbierają się w obszarach stojącej wody, podczas gdy szybko przepływający strumień pozostaje czysty. Atomy, przechodząc przez światło lasera, tworzą niezwykle cienkie linie w miejscach odpowiadających dolinom wiązki laserowej. W ten sposób naukowcom z IBM i National Institutes of Standards and Technology udało się narysować na różnego rodzajach materiałach linie grubości około dziesięciu atomów. Spodziewam się, że do czasu ukazania się tej książki wykonają już linie grubości jednego atomu.

Z handlowego punktu widzenia zaletą tej techniki jest możliwość jej zastosowania do dowolnego rodzaju materiału stałego. Widziałem na przykład zdjęcie rowków wyciętych na powierzchni chromu. Rowki te miały długość około dwudziestu atomów, kilka atomów szerokości i trzy-cztery atomy głębokości. Wyglądały bardzo regularnie i czysto, jak linie, które robimy, przesuwając widelcem po lukrowanym cieście.

Odnotowawszy tę nową wirtuozerię techniczną, muszę jednak uprzedzić Czytelnika, aby nie spodziewał się w swych domowych układach elektronicznych natychmiastowych zmian, wynikłych z ulepszonej miniaturyzacji. Zanim rozmiary obwodów będzie można znacznie zredukować, należy przezwyciężyć całe mnóstwo problemów technicznych, i są to te problemy, o których będziemy czytali w nadchodzących latach. Na przykład, gdy „przewody” w obwodach zmniejszą się do rozmiarów atomów, elektrony zaczynają się dziwnie zachowywać. Nawet teraz, gdy przewody mają grubość „jedynie” stu atomów, projektanci muszą uważać, by nie planować w obwodach nagłych skrętów, bo to pozwala elektronom na wydostanie się z nich i rozproszenie.

Ponadto w środowisku technicznym panuje powszechna opinia, że następna granica w budowaniu komputerów nie leży wcale w miniaturyzacji jako takiej, lecz w poszukiwaniu nowych sposobów układania razem elementów obwodów – co nazywane jest architekturą komputera. Tak więc zdolność do wykonywania bardzo cienkich linii w naszych układach scalonych niekoniecznie musi przekładać się na przełom technologiczny, podobny do tego, jaki towarzyszył produkcji komputera osobistego i obecnej generacji urządzeń elektronicznych.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *