Bez kategorii

Tranzystory hybrydowe

08/08/2011

391 Wyświetlenia

0 Komentarze

7 minut czytania

Nowy typ tranzystorów może uprościć budowę mikroprocesorów i przyśpieszyć działanie komputerów.

Kiedy się robi ciasto lepiej jest od razu mieć wszystkie składniki pod ręką niż biegać za każdym osobno do spiżarni. Coś bardzo podobnego występuje w przypadku obwodów logicznych w mikroprocesorach komputerów. Mogłyby one dużo szybciej pracować, a przy tym zużywać mniej energii, gdyby mogły same zbierać i przechowywać dane zamiast pobierać je z osobnych kostek pamięci i z twardych dysków. Problem z tranzystorami jest jednak taki, że ich stan elektroniczny, zarówno przy operacjach w obwodach logicznych jak i przy utrzymywaniu danych wymaga ciągłego zasilania. Wyłącz zasilanie, a dane znikną. Inżynierowie od początku stoją więc przed wyborem: albo stale zasilać tranzystor z danymi, co kosztuje energię, albo stale przenosić dane w tę i z powrotem korzystając ze stałych kostek pamięci, co kosztuje czas. Gdyby tę dychotomię udało się przezwyciężyć, czyli sprawić, że tranzystory mogłyby same dla siebie przechowywać dane tak jak kostka pamięci, wszystkie komputery chodziłyby dużo szybciej. Miałoby to szczególne znaczenie dla wszystkich urządzeń przenośnych. Mogłyby one bowiem stać się mniejsze i lżejsze, jako że wymagałyby odpowiednio mniej komponentów. Mogłyby także dłużej pracować na jednym doładowaniu.

Za problem zabrali się dwaj Japończycy, dr Hiroshi Mizuta z brytyjskiego Uniwersytetu w Southampton oraz dr Tsuyoshi Hasegawa z japońskiego Instytutu Materiałoznawstwa w Tsukuba, miasteczku naukowym stworzonym w latach 1960-ych na podobieństwo takich ośrodków jak Silicon Valley, Bethesda, Palo Alto w USA, Brasilii albo Akademogorodok w Nowosybirsku. Proponują oni ożenić ze sobą dwa zupełnie różne typy tranzystorów. Jeden, tranzystor atomowy, to najnowszy krzyk nanotechnologii. Drugi, tranzystor mechaniczny, to zabytek jakby żywcem przypomniany z annałów z początków rewolucji przemysłowej.

Zgodnie z nazwą tranzystor atomowy funkcjonuje tak, że w swym obwodzie tasuje czyli przesuwa pojedyńcze atomy, w tym przypadku miedzi. To przesuwanie otwiera lub zamyka ścieżkę przewodzenia pomiędzy dwoma kluczowymi elektrodami tranzystora, źródłem S i drenem D (czyli odpowiednikami emitera i kolektora w tranzystorze bipolarnym), a przez to całe urządzenie włącza się lub wyłącza. Jest to możliwe dlatego, że ta półprzewodnikowa część tranzystora jest zbudowana z pięciotlenku tantalu, czyli materiału, którego atomy tworzą siatkę o oczkach na tyle dużych, że atomy miedzi mogą się przez nie przeciskać.

W tranzystorze mechanicznym, którego bardziej poprawna nazwa brzmi NEMS (nano-electro-mechanical system transistor), połączenie pomiedzy źródłem a drenem tworzy się i likwiduje w sposób mechaniczny. Po przyłożeniu napięcia na dwie aluminiowe elektrody w kształcie niemal stykających się promieni oddzielonych tylko przerwą ok. 50 nanometrów, na każdej z nich powstaje i narasta ładunek tworzący siłę przyciągania między nimi aż do osiągnięcia punktu krytycznego. W tym momencie jedna z elektrod doskakuje do drugiej, obie się sczepiają i obwód się zamyka. Tranzystor jest włączony. Zastosujmy odwrotny ładunek i obie elektrody znów odskoczą od siebie, a obwód zostanie przerwany.

To, co jest w obu tych różnych typach tranzystorów najbardziej atrakcyjne, to fakt, że zarówno miedź jak i aluminium zastygają na swoich pozycjach po wyłączeniu zasilania. Mogą zatem funkcjonować zarówno jako pamięci jak też jako procesory. Stan ich aktywacji to jeden typ wartości binarnej, powiedzmy „1”, a stan dezaktywacji to wartość „0”. Mizuta i Hasegawa chcą użyć obu tych tranzystorów, aby zbudować pierwszy na świecie mikroprocesor samowystarczalny, czyli taki, który do swego funkcjonowania nie wymagałby wymiany ładunku z innymi czipami.

Byłoby idealnie, gdyby taki mikroprocesor mógł mieć tylko jeden typ tranzystora, bo to byłoby znacznie łatwiejsze w produkcji. Niestety, tranzystory występują w dwóch oczywistych typach – jako ujemne i dodatnie, typ N (negative) i typ P (positive) i w obwodzie logicznym oba są potrzebne. Jednakże tranzystory atomowe występują tylko w typie N. Można zatem zbudować obwód tylko z NEMS-ów, gdzie mamy P i N, albo zmieszać ze sobą tranzystor atomowy tam, gdzie wystarcza typ N i tranzystor mechaniczny tam, gdzie potrzebny jest typ P. Japońscy badacze wybrali to drugie, hybrydowe rozwiązanie, ponieważ tranzystor atomowy jest dużo, dużo mniejszy niż NEMS, a to oznacza oszczędność na wymiarach i na wadze, która jest ważniejsza niż prostota produkcji i aranżacji mikroprocesora. Jeżeli ich eksperymenty zakończą się sukcesem, będzie to oznaczać, że komputery będą prostsze w budowie, znowu mniejsze i dużo szybciej działające. Nam, niecierpliwym użytkownikom, którzy przy komputerach powszechnie nauczyliśmy się używać brzydkich wyrazów i zgrzytania zębami, oszczędzi to w skali świata wielu megaton nerwowych napięć i eksplozji. I o to chodzi.

Bogusław Jeznach