Kompiuterio procesoriaus tranzistorių veikimas

Kas tie tranzistoriai ir kodėl jie tokie svarbūs

Kai atsukate kompiuterio procesorių ir pažvelgiate į tą mažytę metalinę plokštelę, sunku patikėti, kad viduje telpa milijardai mikroskopinių komponentų. Šiuolaikiniame procesoriuje gali būti net 50 milijardų tranzistorių – tai daugiau nei žvaigždžių mūsų galaktikoje gali pamatyti plika akimi. Bet kas tie tranzistoriai ir kaip jie veikia?

Paprasčiausiai tariant, tranzistorius yra elektroninis jungiklis. Tik skirtingai nei šviesos jungiklis jūsų namuose, kurį valdote ranka, šį jungiklį valdo elektros signalas. Įsivaizduokite vandens čiaupą, kurį galite atidaryti ar uždaryti kitu, mažesniu čiaupu – panašiai veikia ir tranzistorius. Jis gali leisti elektros srovei tekėti arba ją blokuoti, priklausomai nuo to, koks signalas patenka į jo valdymo įėjimą.

Procesorių tranzistoriai šiandien yra tokie maži, kad jų dydis matuojamas nanometrais. Vienas nanometras – tai viena milijardinė metro dalis. Kad būtų aiškiau: jūsų plaukas yra apie 80 000 nanometrų storio, o šiuolaikinio procesoriaus tranzistorius – vos kelių nanometrų. Ant vieno žmogaus plauko galėtų tilpti tūkstančiai tokių tranzistorių.

Kaip tranzistorius atsirado ir evoliucionavo

Pirmasis veikiantis tranzistorius buvo sukurtas 1947 metais Bell Labs laboratorijoje. Jį išrado trys mokslininkai – John Bardeen, Walter Brattain ir William Shockley, kurie vėliau už šį išradimą gavo Nobelio premiją. Tas pirmasis tranzistorius buvo gana keistas įrenginys su aukso folija ir germanio kristalu, bet jis veikė ir parodė, kad galima valdyti elektros srovę be jokių judančių dalių ar vakuuminių lempų.

Iki tol kompiuteriuose naudotos vakuuminės lempos buvo didžiulės, karštai kaitusios ir dažnai gesdavusios. Pirmieji kompiuteriai užėmė ištisus kambarius, o jų patikimumas buvo prastas. Tranzistorių atsiradimas viską pakeitė. Jie buvo maži, patvarūs, vartojo mažai energijos ir galėjo veikti milijonus kartų greičiau.

1958 metais Jack Kilby iš Texas Instruments sukūrė pirmąją integruotą grandinę – kelis tranzistorius ant vieno silicio luisto. Tai buvo revoliucija. Vėliau, 1971 metais, Intel pristatė pirmąjį komercinį mikroprocesorių Intel 4004, kuriame buvo 2300 tranzistorių. Šiandien tai atrodo juokingai mažai – dabartiniame Apple M2 procesoriuje jų yra daugiau nei 20 milijardų.

Silicio paslaptis ir puslaidininkių fizika

Kodėl tranzistoriai gaminami būtent iš silicio? Atsakymas slypi puslaidininkių fizikoje. Silikonas yra puslaidininkis – medžiaga, kuri gali būti ir elektros laidininkas, ir izoliatorius, priklausomai nuo sąlygų. Tai tarsi medžiaga su dvigubu charakteriu.

Grynasis silikonas nėra labai naudingas, todėl jį „teršia” – tyčia prideda kitų elementų atomų. Šis procesas vadinamas legiravimas. Pridėjus fosforo atomų, gaunamas N tipo puslaidininkis (su pertekliniais elektronais), o pridėjus boro – P tipo (su elektronų trūkumu, arba „skylėmis”). Kai sujungiamos N ir P tipo sritys, susidaro P-N sandūra – tai ir yra tranzistoriaus pagrindas.

Šiuolaikinis MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) tranzistorius turi tris pagrindinius kontaktus: šaltinį (source), nuteką (drain) ir užtūrą (gate). Tarp šaltinio ir nutekėjimo yra puslaidininkio kanalas. Virš šio kanalo, atskirtas plonytės izoliacinės oksido plėvelės, yra užtūros elektrodas. Kai į užtūrą paduodamas teigiamas įtampas signalas, jis sukuria elektrinį lauką, kuris „atidaro” kanalą ir leidžia elektronams tekėti iš šaltinio į nuteką. Kai signalo nėra, kanalas „užsidaro” ir srovė nesiteka.

Kaip milijardai jungiklių tampa skaičiavimo mašina

Vienas tranzistorius pats savaime nedaug ką gali – jis tik įjungia ar išjungia srovę. Bet kai jų sujungiama kartu, prasideda magija. Keletas tranzistorių gali sudaryti loginį elementą – AND, OR, NOT, NAND ir kitus. Šie loginiai elementai atlieka paprastas operacijas su dvejetainiais skaičiais (nuliais ir vienetais).

Pavyzdžiui, AND elementas duoda vienetą tik tada, kai abu įėjimai yra vienetai. Jį galima sukurti iš kelių tranzistorių, sujungtų nuosekliai. OR elementas duoda vienetą, kai bent vienas įėjimas yra vienetas – jį galima padaryti iš lygiagrečiai sujungtų tranzistorių. NOT elementas tiesiog apverčia signalą – iš vieneto daro nulį ir atvirkščiai.

Iš šių paprastų loginių elementų galima sukonstruoti sudėtingesnes schemas: sudėtuvus, kurie sudeda skaičius, daugintuvus, atminties ląsteles, registrus. O iš šių sudėtingesnių blokų jau kuriamas visas procesorius su aritmetine-loginė įrenginiu (ALU), valdymo bloku, spartinančiąja atmintimi ir kitais komponentais.

Štai kodėl procesorius gali atlikti sudėtingus skaičiavimus: milijardai tranzistorių, sujungtų į hierarchinę struktūrą, kur kiekvienas lygmuo atlieka vis sudėtingesnes operacijas. Viskas prasideda nuo paprasčiausio jungiklio, o baigiasi tuo, kad galite žaisti žaidimus, redaguoti vaizdo įrašus ar naršyti internetą.

Gamybos procesas: nuo smėlio iki procesoriaus

Procesoriaus gamyba yra vienas sudėtingiausių žmogaus sukurtų pramoninių procesų. Viskas prasideda nuo smėlio – taip, paprasto smėlio, nes jis sudarytas iš silicio dioksido. Iš jo išgaunamas grynasis silikonas, kuris tada išlydomas ir formuojamas į cilindrinius ingotus – didžiules silicio „dešras”, kurių grynumas siekia 99,9999999% (devyni devyneti).

Šie ingotai supjaustomi į plonyčius diskus, vadinamus wafer’iais. Vienas toks diskas būna apie 300 mm skersmens ir mažiau nei milimetro storio. Ant jo paviršiaus bus pagaminti šimtai atskirų procesorių lustų.

Toliau prasideda fotolitografijos procesas – tai tarsi fotografavimas mikroskopinėje skalėje. Ant silicio paviršiaus uždengiamas fotojautrus sluoksnis, per kurį pro specialias kaukes šviečiama ultravioletine šviesa (arba net ekstremalios ultravioletinės spinduliuotės – EUV). Tai sukuria mikroskopinį raštą ant paviršiaus. Šis procesas kartojamas dešimtis kartų, kiekvieną kartą formuojant vis naują sluoksnį.

Tarp šių žingsnių vyksta legiravimas (primaišų įterpimas), ėsdinimas (nereikalingų sričių pašalinimas), metalinių sluoksnių nusodinimas ir kiti procesai. Šiuolaikinis procesorius gali turėti 15-20 skirtingų sluoksnių, o visa gamyba užtrunka 2-3 mėnesius. Gamyklos, kurios tai atlieka, kainuoja dešimtis milijardų dolerių ir turi būti neįtikėtinai švarios – ore negali būti nė mažiausių dulkių dalelių, nes jos didesnės už pačius tranzistorius.

Šilumos problema ir energijos efektyvumas

Kiekvienas tranzistorius, kai persijungia iš vienos būsenos į kitą, išskiria šiek tiek šilumos. Tai gali atrodyti nereikšminga, bet kai procesorių milijardai tranzistorių persijungia milijardus kartų per sekundę, susidaranti šiluma tampa rimta problema.

Ankstyvieji procesoriai šios problemos neturėjo – jie buvo lėti ir turėjo nedaug tranzistorių. Bet kai procesorių dažniai pradėjo artėti prie 3-4 GHz, šilumos išsiskyrimas tapo kritinis. Tai viena iš pagrindinių priežasčių, kodėl procesorių dažniai nustojo augti apie 2005 metus. Vietoj to gamintojai pradėjo dėti kelis branduolius į vieną lustą ir ieškoti būdų, kaip padidinti efektyvumą nemažinant našumo.

Šiuolaikiniai procesoriai naudoja įvairias technologijas šilumai valdyti. Viena jų – dinaminė dažnio ir įtampos reguliacija. Kai procesorius nedaug kraunamas, jis sumažina savo darbinį dažnį ir maitinimo įtampą, taip taupydamas energiją ir mažiau kaitindamas. Kai reikia daugiau galios, jis vėl pagreitėja.

Kita svarbi technologija – tranzistorių miniatiūrizacija. Mažesni tranzistoriai ne tik leidžia sutalpinti daugiau jų ant lusto, bet ir vartoja mažiau energijos. Perėjimas nuo 14 nm prie 7 nm, o dabar ir prie 3 nm technologijos proceso leido gerokai sumažinti energijos suvartojimą išlaikant tą patį našumą. Tai ypač svarbu mobiliesiems įrenginiams – išmaniesiems telefonams ir planšetėms.

FinFET ir naujos tranzistorių architektūros

Kai tranzistoriai tapo tokie maži, kad jų matmenys priartėjo prie kelių nanometrų, atsirado nauja problema – srovės nutekėjimas. Tradiciniai plokšti tranzistoriai nebegalėjo tinkamai „užsidaryti”, ir pro juos vis tiek tekėjo nedidelė srovė net tada, kai jie turėjo būti išjungti. Tai didino energijos suvartojimą ir šilumos išsiskyrimą.

Sprendimas buvo FinFET tranzistoriai, kuriuos Intel pradėjo naudoti 2011 metais su 22 nm technologijos procesu. Skirtingai nei tradiciniai plokšti tranzistoriai, FinFET turi vertikalią „peleko” formos struktūrą. Užtūra apjuosia šį „peleką” iš trijų pusių, o ne tik iš viršaus, todėl gerokai geriau kontroliuoja kanalą. Tai leidžia tranzistoriui veikti greičiau, vartoti mažiau energijos ir geriau „užsidaryti”, kai to reikia.

Dabar jau kuriamos dar pažangesnės architektūros. GAA (Gate-All-Around) arba nanosheet tranzistoriai, kuriuos Samsung ir TSMC planuoja naudoti 3 nm ir mažesnėse technologijose, turi užtūrą, kuri apjuosia kanalą iš visų pusių. Tai dar labiau pagerina kontrolę ir efektyvumą.

Taip pat eksperimentuojama su visiškai naujais medžiagomis. Grafenas, anglies nanovamzdeliai, molibdeno disulfidas ir kitos medžiagos gali ateityje pakeisti silikoną. Bet kol kas silikonas vis dar lieka karaliumi – jis pigus, gerai ištirtas ir gamybos technologijos puikiai ištobulintos.

Kur visa tai veda ir kas laukia ateityje

Dabar jau artėjame prie fizinių ribų. Kai tranzistorius tampa toks mažas, kad jį sudaro vos kelios dešimtys atomų, pradeda reikštis kvantiniai efektai. Elektronai gali „tunelinti” pro barjerus, kurie turėtų juos sustabdyti. Tai tarsi vaiduoklis, praeinantis pro sieną – kvantinėje mechanikoje tai įmanoma.

Todėl pramonė ieško alternatyvų. Viena kryptis – trimačiai lustai, kur tranzistoriai dedami ne tik horizontaliai, bet ir vertikaliai, sluoksniais. Tai leidžia padidinti tankį nepersižengiant fizinių miniatiūrizacijos ribų. AMD jau naudoja tokią technologiją su savo 3D V-Cache atmintimi.

Kita kryptis – specializuoti procesoriai. Vietoj universalių CPU, kurie gali daryti viską, bet ne visada efektyviai, kuriami specializuoti lustai konkretiems uždaviniams. GPU vaizdo apdorojimui, TPU dirbtinio intelekto mokymui, NPU neuroniniams tinklams. Kiekvienas iš jų turi tranzistorius, optimizuotus konkrečiai užduočiai.

Ir žinoma, kvantiniai kompiuteriai – visiškai kitokia paradigma, kur informacija saugoma ne tranzistoriuose, o kvantiniuose bituose (qubit’uose). Bet tai jau visai kita istorija, ir tradiciniai tranzistoriai dar ilgai išliks pagrindinė skaičiavimo technologija.

Tranzistoriai per pastaruosius 75 metus nužengė neįtikėtiną kelią – nuo pirštų dydžio komponentų iki atomų dydžio jungiklių. Jie pakeitė pasaulį labiau nei bet kuri kita technologija XX amžiuje. Kiekvienas jūsų išmanusis telefonas, kompiuteris, automobilis, net šaldytuvas – visi jie veikia dėl milijardų mikroskopinių jungiklių, kurie milijonus kartų per sekundę įsijungia ir išsijungia, atlikdami skaičiavimus. Ir nors artėjame prie fizinių ribų, inžinierių išradingumas vis dar randa naujų būdų, kaip išspausti dar daugiau galios iš šių mažyčių silicio stebuklų.