Polovodiče a křemík: Materiál, který si umí postavit hlavu

Než se podíváme na samotný tranzistor, je potřeba pochopit materiál, ze kterého je vyroben. Pokud rozděláte jakýkoliv procesor, najdete uvnitř křemík. Z chemického hlediska to není nic vzácného – křemík je po kyslíku druhý nejrozšířenější prvek v zemské kůře a tvoří základ obyčejného písku. Proč ale jako lidstvo nestavíme počítače ze dřeva nebo z mědi?

Odpověď leží v tom, jak tyto materiály vedou elektrický proud. Dřevo nebo plast jsou izolanty. Mají své elektrony pevně uzamčené, takže jimi proud neprojde, ať se snažíte sebevíc. Je to jako zavřená a zabetonovaná brána. Měď nebo hliník jsou naproti tomu vodiče. Jejich elektrony si volně poletují. Když do měděného drátu pustíte napětí, proud jím okamžitě prosviští. Je to dálnice bez rychlostních limitů.

A pak je tu křemík. To je polovodič. Představte si polovodič jako vyhazovače u dveří luxusního klubu. Za normálních okolností nikoho dovnitř nepustí (chová se jako izolant). Ale když mu dáte ten správný impuls (například trochu energie nebo na něj přiložíte malé elektrické napětí), najednou dveře otevře a nechá dav projít (začne se chovat jako vodič). Polovodič je zkrátka materiál, kterému můžeme my sami diktovat, jestli zrovna teď proud povede, nebo ne.

(Představte si polovodič jako vyhazovače u dveří luxusního klubu)

Princip fungování tranzistoru: Jak elektřinou ovládat elektřinu

A právě z tohoto „vyhazovače“ inženýři sestrojili tranzistor. Zjednodušeně řečeno, tranzistor v dnešních procesorech je mikroskopický vypínač, který má tři pomyslné nožičky:

1. Zdroj (Source): Tudy se do tranzistoru tlačí elektrony, které chtějí projít dál.
2. Odtok (Drain): Cílová stanice. Pokud sem elektrony dorazí, obvod se sepne a počítač zaznamená jedničku (1).
3. Brána (Gate): Tohle je ten zmíněný vyhazovač. Stojí přesně mezi Zdrojem a Odtokem.

Jak to funguje v praxi? Představte si zahradní hadici, kterou proudí voda (elektrony). Zdroj je kohoutek, Odtok je konec hadice. Brána funguje tak, jako by na tu hadici někdo stoupl těžkou botou. Voda nemůže téct. Systém je vypnutý. Počítač hlásí nulu (0).

A teď přichází ta skutečná magie. Jak tu botu zvedneme? Kdyby to byl klasický vypínač na zdi, museli byste k němu přijít a cvaknout prstem. Tranzistor ale žádné mechanické části nemá. Abychom bránu otevřeli, přivedeme na ni maličký, samostatný elektrický náboj.

Tento drobný elektrický náboj na Bráně vytvoří elektromagnetické pole, které funguje jako neviditelná síla. Toto pole doslova "nadzvedne botu z hadice". Uvolní elektronům cestu a hlavní proud může bleskově proletět ze Zdroje do Odtoku. Systém je zapnutý. Počítač hlásí jedničku (1). Jakmile náboj z Brány sundáme, cesta se opět uzavře a naskakuje 0.

Geniální na tom je, že pomocí nepatrného množství elektřiny na Bráně ovládáme průtok obrovského množství elektřiny v hlavním kanálu. Nepotřebujeme žádná mačkátka. Je to čistá hra fyzikálních sil.

Výkon procesoru a chlazení: Proč počítač topí a ztrácí paměť

Možná vás teď při čtení napadla jedna logická věc. Aby ten náš pomyslný vyhazovač udržel "zvednutou botu z hadice" a nechal proud téct (tedy udržel stav 1), musí na té Bráně neustále být ono elektrické napětí. A máte naprostou pravdu.

Udržení tohoto neustálého tance v procesoru a operační paměti (RAM) stojí energii. Pokud počítač nebo mobil vypnete a odpojíte od baterie, elektrické pole na Bráně okamžitě zmizí. "Bota" spadne zpátky na hadici, všechny tranzistory se uzavřou a uložené jedničky a nuly se nenávratně rozplynou. I proto se vám neuložený dokument při výpadku proudu smaže – fyzická síla, která ty jedničky držela při životě, prostě zmizela. (Pozn.: Pro trvalé ukládání dat, jako jsou fotky na disku, se používá jiný typ tranzistorů s tzv. plovoucí bránou, ale samotný mozek počítače funguje na této neustále dotované energii).

Když si uvědomíte, že k udržení a přepínání jednoho tranzistoru potřebujeme trochu energie, co se stane, když jich vedle sebe postavíme miliardy? V článku o dvojkové soustavě jsem vysvětloval, co dělá procesor výkonným. Nyní si pod tím můžete představit reálnou fyziku:

Počet tranzistorů (Hrubá síla): Čím více těchto miniaturních spínačů máme, tím složitější úkoly dokáže procesor řešit najednou.
Frekvence (Gigahertzy): To je rychlost, jakou dokážeme tu "botu" zvedat a pokládat. Pokud má váš procesor 3 GHz, znamená to, že se tyto tranzistory dokážou zapnout a vypnout třímiliardkrát za jedinou vteřinu!

Tento zběsilý tanec samozřejmě není zadarmo. Otevírání a zavírání miliard bran znamená, že přesouváme miliardy elektronů z místa na místo. Při každém přesunu elektrony narážejí do krystalové mřížky materiálu. A jak jsem popisoval v článku o fungování elektřiny v praxi, narážející elektrony znamenají tření, a to znamená obrovské množství odpadního tepla. To je důvod, proč hučí větráček u vašeho notebooku a proč musíte svůj telefon každý večer nabíjet.

(Výkon procesoru a chlazení: Proč počítač topí a ztrácí paměť)

Moorův zákon a historie procesorů: Od Intel 386 k miliardám v kapse

Díky tomu, že tranzistor nemá žádné pohyblivé mechanické části, mohli ho inženýři v průběhu dekád začít zmenšovat. A to tempem, které nemá v lidské historii obdoby. Určitě jste slyšeli o slavném Moorově zákonu, který tvrdil, že počet tranzistorů na čipu se zhruba každé dva roky zdvojnásobí.

Podívejme se na ten vývoj na číslech, ze kterých se trochu točí hlava. Vraťme se do doby, kdy světu vládly legendární procesory Intel 386. Psal se rok 1985. Tyto počítače zvládaly první verze operačního systému Windows a byly to tehdy naprosté technologické zázraky. V jejich hlavním procesoru kmitalo zhruba 275 000 tranzistorů.

Co to v praxi znamenalo? Procesor 386 byl 32bitový. Představte si to tak, že procesor má pomyslnou „lopatu“, kterou nabírá data k výpočtům. Ta jeho lopata pobrala přesně 32 nul a jedniček (bitů) najednou. Jeden tranzistor ale není jeden bit. K bezpečnému udržení jediné nuly nebo jedničky v paměti procesoru musíte z tranzistorů postavit "klopný obvod" – typicky je k tomu potřeba 6 tranzistorů. A další desítky tranzistorů tvoří logická hradla, která pak ty bity sčítají. 

Aby 386ka nabrala jeden balík dat o velikosti 32 bitů (což v praxi stačí přesně na obarvení jednoho jediného pixelu na obrazovce) a sečetla ho, musela koordinovaně zapojit tisíce mikroskopických vypínačů naráz. A protože běžela na frekvenci 16 MHz, dokázala tento neviditelný orchestr zopakovat šestnáctmilionkrát za vteřinu.

Když si uvědomíte, že běžný Full HD monitor má přes 2 miliony pixelů, a pokud chcete hrát hru tak, aby se obraz nesekal (tedy alespoň 60 snímků za vteřinu - 60 FPS), musí procesor s grafickou kartou spočítat a „obarvit“ 120 milionů pixelů každou jedinou sekundu. A na každý ten pixel potřebuje sáhnout tou svou 32bitovou nebo 64bitovou lopatou. Najednou ten požadavek na obrovskou frekvenci a miliardy tranzistorů dává naprosto hmatatelný smysl.

Dnešní procesory v mobilech mají těch tranzistorů 19 miliard, běží na frekvenci kolem 3 GHz (3 miliardy opakování za vteřinu) a jejich "lopata" je 64bitová – dokážou vzít a zpracovat dvakrát větší balík dat na jeden zátah.

(Od Intel 386 k miliardám v kapse)

Kvantové limity a spinotronika: Když elektrony přestanou běhat

Zní to jako pohádka bez konce, že? Ale my už jako lidstvo na pomyslnou fyzikální zeď narážíme. Tranzistory se zmenšily natolik, že ta "Brána", která drží elektrony, je dnes široká jen několik málo atomů. Zasahujeme do naprosto bizarního kvantového světa. Elektrony jsou tak blízko sobě, že přes tu zavřenou bránu občas prostě "prosáknou" (fyzikové tomu říkají kvantové tunelování). Představte si, že váš vypínač propouští vodu, i když je zavřený. Systém se stává chybovým.

Kromě narážení na kvantové limity je tu ten obrovský problém s teplem a spotřebou, jak jsem popsal výše. Nabízí se tedy zcela revoluční otázka: Co kdybychom elektrony vůbec nemuseli přesouvat? Co kdybychom je nemuseli s obrovským výdejem energie neustále přivádět na Bránu a hnát je z místa na místo, abychom určili 0 a 1?

Přesně tady přichází na scénu hudba budoucnosti jménem spinotronika. Jak jsem vysvětloval v nedávném článku o úžasném českém objevu Altermagnetismu, každý elektron má kromě svého elektrického náboje i kvantovou vlastnost zvanou spin.

Zjednodušeně si spin představte jako nepatrnou střelku kompasu, kterou má každý elektron v sobě. Tato střelka může ukazovat nahoru (to bude naše 1) nebo dolů (to bude naše 0). Místo toho, abychom elektrony složitě hnali přes otevřenou nebo zavřenou bránu jako vodu v hadici, prostě je jen necháme sedět na místě a fyzicky jim "otočíme střelku".

Je to bleskově rychlé. Nepotřebuje to neustálý přísun elektřiny k udržení stavu (střelka zůstane otočená, i když vypnete proud, takže data nezmizí). A hlavně – elektron u toho nikam neběží, do ničeho nenaráží, a tedy vytváří zlomek tepla. Tranzistor z křemíku byl nesporným králem 20. století. Ale schopnost otočit spin elektronu bude s největší pravděpodobností tím, co napíše pravidla pro století jednadvacáté.