Tento článek pojednává o základech počítačových čipů a zaměřuje se na materiály používané při jejich výrobě a také na nejnovější pokroky v této konkrétní oblasti.
Image Credit: Preechar Bowonkitwanchai/Shutterstock.com
Úvod do počítačových čipů
Počítačový čip je kompaktní forma elektronického obvodu, také charakterizovaná jako integrovaný obvod (IC), který je jednou ze základních jednotek většiny elektronických zařízení, zejména počítačů. Tyto čipy se také označují jako mikročipy. Počítačové čipy jsou kompaktní a skládají se z polovodičů, které obsahují několik drobných prvků, jako jsou tranzistory, a používají se k odesílání paketů elektrických dat. Získaly popularitu ve druhé polovině dvacátého století díky své malé velikosti, vysoké účinnosti a snadné výrobě.
Základní klasifikace počítačových čipů
Existují různé základní typy takových čipů, včetně analogových, digitálně funkčních mikročipů a počítačových čipů pro přenos smíšených signálů. Těchto několik tříd určuje, jak posílají zprávy, a liší se v provozních a funkčních procesech. Jejich kategorizace podstatně ovlivňuje jejich výkon a kompaktnost, přičemž digitální počítačový čip je nejkompaktnější, nejefektivnější, nejrobustnější a nejrozšířenější, přenášející datové pakety jako sekvenci jedniček a nul.
Jaký materiál se hojně používá k výrobě počítačových čipů?
Křemík je hojně přítomen a je nejpoužívanější látkou pro výrobu počítačových čipů. Křemík je přirozeně se vyskytující polovodič. Vstřikování nedokonalostí do křemíku může změnit jeho elektrické vlastnosti, což je technika známá jako doping. Díky těmto vlastnostem je účinnou látkou pro výrobu tranzistorů.
Křemíkové destičky nebo platformy, které slouží jako základ mikročipů, se skládají z křemíku, zatímco kovové dráty používané k propojení částí obvodů jsou vyrobeny z hliníku nebo mědi. Křemík je široce se vyskytující polovodič, což znamená, že přenáší nebo izoluje elektřinu, a typický plážový písek má velkou koncentraci křemíku.
Křemík se před použitím k výrobě mikročipů vyčistí, roztaví a ochladí do ingotu. Ingoty se poté nařežou na plátky o tloušťce 1 milimetr. Tyto wafery jsou vyčištěny zrcadlově hladce, než projdou sofistikovaným postupem pro generování čipů.
To zahrnuje fotolitografii, která otiskuje struktury na destičky; iontová implantace, která mění elektrické charakteristiky křemíku ve specifických místech; leptání, které eliminuje zbytečný křemík; a přechodnou konstrukci brány. Poté je připojen kovový obvod. Kovové obvody lze na některých počítačových čipech nalézt ve více než 30 vrstvách. Karbonové tranzistory by byly zmenšeny, což by umožnilo průchod nábojů s minimálním omezením. To by umožnilo rychlejší zapínání a vypínání gadgetů.
Omezení
Související příběhy
Přestože křemík může být široce používán pro počítačové čipy, kvůli určitým omezením se pracuje na alternativách. Silikonové čipy jsou ekonomické pouze tehdy, jsou-li malé.
Křemíkové pece jsou každých několik let 10krát dražší. Navíc je obtížné sladit se s jinými prvky včas a nákladově efektivním způsobem. Izolované atomy křemíku mají fyzicky náročný limit (asi 0,2 nm), přesto se jejich aktivita za určitých podmínek stává nepředvídatelnou a těžko udržitelnou. Bez potenciálu dále zmenšovat integrované obvody nemůže křemík nadále přinášet výhody, které má doposud.
Počítačové čipy s uhlíkovými nanotrubičkami
V roce 2019 se výzkumníci zaměřili na uhlíkové nanotrubičky pro výrobu počítačových mikročipů, protože nabízejí velké výhody z hlediska spotřeby energie. Uhlíkové nanotrubice jsou téměř stejně tenké jako atom. V podstatě dobře transportují také elektrické náboje. V důsledku toho produkují lepší polovodičové tranzistory ve srovnání s křemíkem.
Další od AZoM: Řešení nedostatku čipů pomocí polovodičové cirkulární ekonomiky
Elektronika uhlíkových nanotrubiček by teoreticky mohla být z hlediska rychlosti zpracování třikrát lepší než křemíkové počítačové čipy. Spotřebovaly by také přibližně jednu třetinu energie, kterou využívají křemíkové procesory.
Nanomagnetické počítačové čipy
Očekává se, že počítačové čipy na bázi nanomagnetů brzy nahradí počítačové čipy na bázi křemíku. Nanomagnety využívají k přenosu a zpracování dat nanomagnetickou technologii. Dělají to pomocí přepínatelných magnetických režimů, které jsou fotolitograficky připojeny k systémovým sítím obvodu.
Nanomagnetická logika funguje podobně jako polovodiče na bázi křemíku, kromě zapínání a vypínání tranzistorů za účelem generování binárních dat se přepínají úrovně magnetizace. Tato binární data mohou být interpretována pomocí dipól-dipólových vazeb (spojení mezi severním a jižním pólem každého magnetu). Nanomagnetická logika spotřebovává relativně málo energie, protože nezávisí na elektrickém proudu. Když se berou v úvahu otázky životního prostředí, činí z nich vhodnou náhradu.
Kromě výše uvedených materiálů jsou zkoumány také zeolitové tenkovrstvé mikročipy kvůli jejich nízké dielektrické konstantě a vynikající účinnosti.
Nejnovější výzkumné pokroky
Technologie pro integraci 2-D materiálů do počítačových čipů byly diskutovány v nejnovějším výzkumu publikovaném Davidem J. Mossem. Elektronika vestavěná v čipovém měřítku, která má malé rozměry, sníženou spotřebu energie a levnou výrobu díky rozsáhlé výrobě, měla významný dopad na náš moderní životní styl.
Přestože tradiční polovodiče na bázi oxidů kovů, jako je křemík, ovlivnily vestavěná zařízení, jsou spojena s několika inherentními materiálovými omezeními. Další integrace materiálů na čipu se ukázaly jako přitažlivá metoda pro překonání těchto problémů.
Od převratného vývoje nanočástic, jako je grafen, vzbudily 2D vícevrstvé materiály zvědavost většiny a kategorie materiálů se rychle rozšiřuje. Ve srovnání s hromadnými protějšky mají 2D alternativy četné výjimečné vlastnosti, včetně ultravysokého transportu náboje, vrstvených citlivých bandgaps, významné asymetrie, šířky pásma, minimálního fotonického rozptylu a vynikajících nelineárních absorpčních charakteristik.
Jejich vlastní tenký tvar dále přináší výhody integraci s vysokou hustotou a nízkým výkonem. Použití 2D materiálů na tradičních elektronických součástkách, jako jsou počítačové čipy, kombinuje dokonalou kombinaci.
Výhodné 2D materiály zahrnují grafen, oxid grafenu, dichalkogenidy přechodných kovů, černý fosfor a také hexagonální nitrid boru, mxeny, perovskity a kovové organické struktury. Tyto materiály byly použity pro tenké filmy, mikročipy, tranzistory s efektem pole, mikrosuperkondenzátory a materiály pro ukládání energie.
Budoucnost počítačových čipů
Nedostatek křemíkových čipů vedl k prudkému nárůstu cen počítačových komponent a elektronických přístrojů zahrnujících počítačové propojení. Pomocí revoluční technologie křemíkových počítačových čipů možná budeme v budoucnu schopni vytvářet kvantové počítače levně a často. Univerzita v Melbourne zkoumala tento přístup.
Přístup pomocí křemíkového počítačového čipu může generovat rozsáhlé konfigurace očíslovaných částic, se kterými lze manipulovat a sledovat jejich kvantové stavy, které lze měnit, spojovat a číst. To umožní inženýrům navrhovat funkce kvantové logiky mezi obrovskými poli subatomárních částic při zachování velmi přesných operací v celém systému.
Reference a další čtení
Innovation News Network, 2022. Pokroky v kvantovém počítání s křemíkovým počítačovým čipem.[Online] Dostupné na: https://www .innovationnewsnetwork.com/advancements-quantum-computing-silicon-computer-chip/17003/
Mossi, Davide. 2022. Integrační technologie pro čipy s 2D materiály. Předtisky OSF. Dostupné na: https://osf.io/tqmes/
Nisar, Muhammad Shemyal a kol. 2021. Integrovaná fotonická zařízení na čipu založená na materiálech s fázovou změnou. Fotonika. 8(6). 205. Multidisciplinární institut digitálního publikování. 2021. Dostupné na: https://www.mdpi.com/2304-6732/8/6/205
Norton, M. G. 2021. Silicon—The Material of Information. V deseti materiálech, které utvářely náš svět. 177-195. Springer, Cham. https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-030-75213-2
Xiang, Shen a kol. 2021. Vývojový trend v oblasti výzkumu 2D materiálů na základě projektů financovaných National Science Foundation. Science Focus 16(6). 1-15. Dostupné na: 10.15978/j.cnki.1673-5668.202106002
Odmítnutí odpovědnosti: Názory vyjádřené zde jsou názory autora vyjádřené v jejich soukromé funkci a nemusí nutně představovat názory AZoM.com Limited T/A AZoNetwork, vlastníka a provozovatele této webové stránky. Toto vyloučení odpovědnosti tvoří součást podmínek používání této webové stránky.
