Kai atsukate kompiuterio procesori\u0173 ir pa\u017evelgiate \u012f t\u0105 ma\u017eyt\u0119 metalin\u0119 plok\u0161tel\u0119, sunku patik\u0117ti, kad viduje telpa milijardai mikroskopini\u0173 komponent\u0173. \u0160iuolaikiniame procesoriuje gali b\u016bti net 50 milijard\u0173 tranzistori\u0173 \u2013 tai daugiau nei \u017evaig\u017ed\u017ei\u0173 m\u016bs\u0173 galaktikoje gali pamatyti plika akimi. Bet kas tie tranzistoriai ir kaip jie veikia?<\/p>\n
Papras\u010diausiai tariant, tranzistorius yra elektroninis jungiklis. Tik skirtingai nei \u0161viesos jungiklis j\u016bs\u0173 namuose, kur\u012f valdote ranka, \u0161\u012f jungikl\u012f valdo elektros signalas. \u012esivaizduokite vandens \u010diaup\u0105, kur\u012f galite atidaryti ar u\u017edaryti kitu, ma\u017eesniu \u010diaupu \u2013 pana\u0161iai veikia ir tranzistorius. Jis gali leisti elektros srovei tek\u0117ti arba j\u0105 blokuoti, priklausomai nuo to, koks signalas patenka \u012f jo valdymo \u012f\u0117jim\u0105.<\/p>\n
Procesori\u0173 tranzistoriai \u0161iandien yra tokie ma\u017ei, kad j\u0173 dydis matuojamas nanometrais. Vienas nanometras \u2013 tai viena milijardin\u0117 metro dalis. Kad b\u016bt\u0173 ai\u0161kiau: j\u016bs\u0173 plaukas yra apie 80 000 nanometr\u0173 storio, o \u0161iuolaikinio procesoriaus tranzistorius \u2013 vos keli\u0173 nanometr\u0173. Ant vieno \u017emogaus plauko gal\u0117t\u0173 tilpti t\u016bkstan\u010diai toki\u0173 tranzistori\u0173.<\/p>\n
Pirmasis veikiantis tranzistorius buvo sukurtas 1947 metais Bell Labs laboratorijoje. J\u012f i\u0161rado trys mokslininkai \u2013 John Bardeen, Walter Brattain ir William Shockley, kurie v\u0117liau u\u017e \u0161\u012f i\u0161radim\u0105 gavo Nobelio premij\u0105. Tas pirmasis tranzistorius buvo gana keistas \u012frenginys su aukso folija ir germanio kristalu, bet jis veik\u0117 ir parod\u0117, kad galima valdyti elektros srov\u0119 be joki\u0173 judan\u010di\u0173 dali\u0173 ar vakuumini\u0173 lemp\u0173.<\/p>\n
Iki tol kompiuteriuose naudotos vakuumin\u0117s lempos buvo did\u017eiul\u0117s, kar\u0161tai kaitusios ir da\u017enai gesdavusios. Pirmieji kompiuteriai u\u017e\u0117m\u0117 i\u0161tisus kambarius, o j\u0173 patikimumas buvo prastas. Tranzistori\u0173 atsiradimas visk\u0105 pakeit\u0117. Jie buvo ma\u017ei, patvar\u016bs, vartojo ma\u017eai energijos ir gal\u0117jo veikti milijonus kart\u0173 grei\u010diau.<\/p>\n
1958 metais Jack Kilby i\u0161 Texas Instruments suk\u016br\u0117 pirm\u0105j\u0105 integruot\u0105 grandin\u0119 \u2013 kelis tranzistorius ant vieno silicio luisto. Tai buvo revoliucija. V\u0117liau, 1971 metais, Intel pristat\u0117 pirm\u0105j\u012f komercin\u012f mikroprocesori\u0173 Intel 4004, kuriame buvo 2300 tranzistori\u0173. \u0160iandien tai atrodo juokingai ma\u017eai \u2013 dabartiniame Apple M2 procesoriuje j\u0173 yra daugiau nei 20 milijard\u0173.<\/p>\n
Kod\u0117l tranzistoriai gaminami b\u016btent i\u0161 silicio? Atsakymas slypi puslaidininki\u0173 fizikoje. Silikonas yra puslaidininkis \u2013 med\u017eiaga, kuri gali b\u016bti ir elektros laidininkas, ir izoliatorius, priklausomai nuo s\u0105lyg\u0173. Tai tarsi med\u017eiaga su dvigubu charakteriu.<\/p>\n
Grynasis silikonas n\u0117ra labai naudingas, tod\u0117l j\u012f „ter\u0161ia” \u2013 ty\u010dia prideda kit\u0173 element\u0173 atom\u0173. \u0160is procesas vadinamas legiravimas. Prid\u0117jus fosforo atom\u0173, gaunamas N tipo puslaidininkis (su pertekliniais elektronais), o prid\u0117jus boro \u2013 P tipo (su elektron\u0173 tr\u016bkumu, arba „skyl\u0117mis”). Kai sujungiamos N ir P tipo sritys, susidaro P-N sand\u016bra \u2013 tai ir yra tranzistoriaus pagrindas.<\/p>\n
\u0160iuolaikinis MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) tranzistorius turi tris pagrindinius kontaktus: \u0161altin\u012f (source), nutek\u0105 (drain) ir u\u017et\u016br\u0105 (gate). Tarp \u0161altinio ir nutek\u0117jimo yra puslaidininkio kanalas. Vir\u0161 \u0161io kanalo, atskirtas plonyt\u0117s izoliacin\u0117s oksido pl\u0117vel\u0117s, yra u\u017et\u016bros elektrodas. Kai \u012f u\u017et\u016br\u0105 paduodamas teigiamas \u012ftampas signalas, jis sukuria elektrin\u012f lauk\u0105, kuris „atidaro” kanal\u0105 ir leid\u017eia elektronams tek\u0117ti i\u0161 \u0161altinio \u012f nutek\u0105. Kai signalo n\u0117ra, kanalas „u\u017esidaro” ir srov\u0117 nesiteka.<\/p>\n
Vienas tranzistorius pats savaime nedaug k\u0105 gali \u2013 jis tik \u012fjungia ar i\u0161jungia srov\u0119. Bet kai j\u0173 sujungiama kartu, prasideda magija. Keletas tranzistori\u0173 gali sudaryti login\u012f element\u0105 \u2013 AND, OR, NOT, NAND ir kitus. \u0160ie loginiai elementai atlieka paprastas operacijas su dvejetainiais skai\u010diais (nuliais ir vienetais).<\/p>\n
Pavyzd\u017eiui, AND elementas duoda vienet\u0105 tik tada, kai abu \u012f\u0117jimai yra vienetai. J\u012f galima sukurti i\u0161 keli\u0173 tranzistori\u0173, sujungt\u0173 nuosekliai. OR elementas duoda vienet\u0105, kai bent vienas \u012f\u0117jimas yra vienetas \u2013 j\u012f galima padaryti i\u0161 lygiagre\u010diai sujungt\u0173 tranzistori\u0173. NOT elementas tiesiog apver\u010dia signal\u0105 \u2013 i\u0161 vieneto daro nul\u012f ir atvirk\u0161\u010diai.<\/p>\n
I\u0161 \u0161i\u0173 paprast\u0173 logini\u0173 element\u0173 galima sukonstruoti sud\u0117tingesnes schemas: sud\u0117tuvus, kurie sudeda skai\u010dius, daugintuvus, atminties l\u0105steles, registrus. O i\u0161 \u0161i\u0173 sud\u0117tingesni\u0173 blok\u0173 jau kuriamas visas procesorius su aritmetine-login\u0117 \u012frenginiu (ALU), valdymo bloku, spartinan\u010di\u0105ja atmintimi ir kitais komponentais.<\/p>\n
\u0160tai kod\u0117l procesorius gali atlikti sud\u0117tingus skai\u010diavimus: milijardai tranzistori\u0173, sujungt\u0173 \u012f hierarchin\u0119 strukt\u016br\u0105, kur kiekvienas lygmuo atlieka vis sud\u0117tingesnes operacijas. Viskas prasideda nuo papras\u010diausio jungiklio, o baigiasi tuo, kad galite \u017eaisti \u017eaidimus, redaguoti vaizdo \u012fra\u0161us ar nar\u0161yti internet\u0105.<\/p>\n
Procesoriaus gamyba yra vienas sud\u0117tingiausi\u0173 \u017emogaus sukurt\u0173 pramonini\u0173 proces\u0173. Viskas prasideda nuo sm\u0117lio \u2013 taip, paprasto sm\u0117lio, nes jis sudarytas i\u0161 silicio dioksido. I\u0161 jo i\u0161gaunamas grynasis silikonas, kuris tada i\u0161lydomas ir formuojamas \u012f cilindrinius ingotus \u2013 did\u017eiules silicio „de\u0161ras”, kuri\u0173 grynumas siekia 99,9999999% (devyni devyneti).<\/p>\n
\u0160ie ingotai supjaustomi \u012f plony\u010dius diskus, vadinamus wafer’iais. Vienas toks diskas b\u016bna apie 300 mm skersmens ir ma\u017eiau nei milimetro storio. Ant jo pavir\u0161iaus bus pagaminti \u0161imtai atskir\u0173 procesori\u0173 lust\u0173.<\/p>\n
Toliau prasideda fotolitografijos procesas \u2013 tai tarsi fotografavimas mikroskopin\u0117je skal\u0117je. Ant silicio pavir\u0161iaus u\u017edengiamas fotojautrus sluoksnis, per kur\u012f pro specialias kaukes \u0161vie\u010diama ultravioletine \u0161viesa (arba net ekstremalios ultravioletin\u0117s spinduliuot\u0117s \u2013 EUV). Tai sukuria mikroskopin\u012f ra\u0161t\u0105 ant pavir\u0161iaus. \u0160is procesas kartojamas de\u0161imtis kart\u0173, kiekvien\u0105 kart\u0105 formuojant vis nauj\u0105 sluoksn\u012f.<\/p>\n
Tarp \u0161i\u0173 \u017eingsni\u0173 vyksta legiravimas (primai\u0161\u0173 \u012fterpimas), \u0117sdinimas (nereikaling\u0173 sri\u010di\u0173 pa\u0161alinimas), metalini\u0173 sluoksni\u0173 nusodinimas ir kiti procesai. \u0160iuolaikinis procesorius gali tur\u0117ti 15-20 skirting\u0173 sluoksni\u0173, o visa gamyba u\u017etrunka 2-3 m\u0117nesius. Gamyklos, kurios tai atlieka, kainuoja de\u0161imtis milijard\u0173 doleri\u0173 ir turi b\u016bti ne\u012ftik\u0117tinai \u0161varios \u2013 ore negali b\u016bti n\u0117 ma\u017eiausi\u0173 dulki\u0173 daleli\u0173, nes jos didesn\u0117s u\u017e pa\u010dius tranzistorius.<\/p>\n
Kiekvienas tranzistorius, kai persijungia i\u0161 vienos b\u016bsenos \u012f kit\u0105, i\u0161skiria \u0161iek tiek \u0161ilumos. Tai gali atrodyti nereik\u0161minga, bet kai procesori\u0173 milijardai tranzistori\u0173 persijungia milijardus kart\u0173 per sekund\u0119, susidaranti \u0161iluma tampa rimta problema.<\/p>\n
Ankstyvieji procesoriai \u0161ios problemos netur\u0117jo \u2013 jie buvo l\u0117ti ir tur\u0117jo nedaug tranzistori\u0173. Bet kai procesori\u0173 da\u017eniai prad\u0117jo art\u0117ti prie 3-4 GHz, \u0161ilumos i\u0161siskyrimas tapo kritinis. Tai viena i\u0161 pagrindini\u0173 prie\u017eas\u010di\u0173, kod\u0117l procesori\u0173 da\u017eniai nustojo augti apie 2005 metus. Vietoj to gamintojai prad\u0117jo d\u0117ti kelis branduolius \u012f vien\u0105 lust\u0105 ir ie\u0161koti b\u016bd\u0173, kaip padidinti efektyvum\u0105 nema\u017einant na\u0161umo.<\/p>\n
\u0160iuolaikiniai procesoriai naudoja \u012fvairias technologijas \u0161ilumai valdyti. Viena j\u0173 \u2013 dinamin\u0117 da\u017enio ir \u012ftampos reguliacija. Kai procesorius nedaug kraunamas, jis suma\u017eina savo darbin\u012f da\u017en\u012f ir maitinimo \u012ftamp\u0105, taip taupydamas energij\u0105 ir ma\u017eiau kaitindamas. Kai reikia daugiau galios, jis v\u0117l pagreit\u0117ja.<\/p>\n
Kita svarbi technologija \u2013 tranzistori\u0173 miniati\u016brizacija. Ma\u017eesni tranzistoriai ne tik leid\u017eia sutalpinti daugiau j\u0173 ant lusto, bet ir vartoja ma\u017eiau energijos. Per\u0117jimas nuo 14 nm prie 7 nm, o dabar ir prie 3 nm technologijos proceso leido gerokai suma\u017einti energijos suvartojim\u0105 i\u0161laikant t\u0105 pat\u012f na\u0161um\u0105. Tai ypa\u010d svarbu mobiliesiems \u012frenginiams \u2013 i\u0161maniesiems telefonams ir plan\u0161et\u0117ms.<\/p>\n
Kai tranzistoriai tapo tokie ma\u017ei, kad j\u0173 matmenys priart\u0117jo prie keli\u0173 nanometr\u0173, atsirado nauja problema \u2013 srov\u0117s nutek\u0117jimas. Tradiciniai plok\u0161ti tranzistoriai nebegal\u0117jo tinkamai „u\u017esidaryti”, ir pro juos vis tiek tek\u0117jo nedidel\u0117 srov\u0117 net tada, kai jie tur\u0117jo b\u016bti i\u0161jungti. Tai didino energijos suvartojim\u0105 ir \u0161ilumos i\u0161siskyrim\u0105.<\/p>\n
Sprendimas buvo FinFET tranzistoriai, kuriuos Intel prad\u0117jo naudoti 2011 metais su 22 nm technologijos procesu. Skirtingai nei tradiciniai plok\u0161ti tranzistoriai, FinFET turi vertikali\u0105 „peleko” formos strukt\u016br\u0105. U\u017et\u016bra apjuosia \u0161\u012f „pelek\u0105” i\u0161 trij\u0173 pusi\u0173, o ne tik i\u0161 vir\u0161aus, tod\u0117l gerokai geriau kontroliuoja kanal\u0105. Tai leid\u017eia tranzistoriui veikti grei\u010diau, vartoti ma\u017eiau energijos ir geriau „u\u017esidaryti”, kai to reikia.<\/p>\n
Dabar jau kuriamos dar pa\u017eangesn\u0117s architekt\u016bros. GAA (Gate-All-Around) arba nanosheet tranzistoriai, kuriuos Samsung ir TSMC planuoja naudoti 3 nm ir ma\u017eesn\u0117se technologijose, turi u\u017et\u016br\u0105, kuri apjuosia kanal\u0105 i\u0161 vis\u0173 pusi\u0173. Tai dar labiau pagerina kontrol\u0119 ir efektyvum\u0105.<\/p>\n
Taip pat eksperimentuojama su visi\u0161kai naujais med\u017eiagomis. Grafenas, anglies nanovamzdeliai, molibdeno disulfidas ir kitos med\u017eiagos gali ateityje pakeisti silikon\u0105. Bet kol kas silikonas vis dar lieka karaliumi \u2013 jis pigus, gerai i\u0161tirtas ir gamybos technologijos puikiai i\u0161tobulintos.<\/p>\n
Dabar jau art\u0117jame prie fizini\u0173 rib\u0173. Kai tranzistorius tampa toks ma\u017eas, kad j\u012f sudaro vos kelios de\u0161imtys atom\u0173, pradeda reik\u0161tis kvantiniai efektai. Elektronai gali „tunelinti” pro barjerus, kurie tur\u0117t\u0173 juos sustabdyti. Tai tarsi vaiduoklis, praeinantis pro sien\u0105 \u2013 kvantin\u0117je mechanikoje tai \u012fmanoma.<\/p>\n
Tod\u0117l pramon\u0117 ie\u0161ko alternatyv\u0173. Viena kryptis \u2013 trima\u010diai lustai, kur tranzistoriai dedami ne tik horizontaliai, bet ir vertikaliai, sluoksniais. Tai leid\u017eia padidinti tank\u012f nepersi\u017eengiant fizini\u0173 miniati\u016brizacijos rib\u0173. AMD jau naudoja toki\u0105 technologij\u0105 su savo 3D V-Cache atmintimi.<\/p>\n
Kita kryptis \u2013 specializuoti procesoriai. Vietoj universali\u0173 CPU, kurie gali daryti visk\u0105, bet ne visada efektyviai, kuriami specializuoti lustai konkretiems u\u017edaviniams. GPU vaizdo apdorojimui, TPU dirbtinio intelekto mokymui, NPU neuroniniams tinklams. Kiekvienas i\u0161 j\u0173 turi tranzistorius, optimizuotus konkre\u010diai u\u017eduo\u010diai.<\/p>\n
Ir \u017einoma, kvantiniai kompiuteriai \u2013 visi\u0161kai kitokia paradigma, kur informacija saugoma ne tranzistoriuose, o kvantiniuose bituose (qubit’uose). Bet tai jau visai kita istorija, ir tradiciniai tranzistoriai dar ilgai i\u0161liks pagrindin\u0117 skai\u010diavimo technologija.<\/p>\n
Tranzistoriai per pastaruosius 75 metus nu\u017eeng\u0117 ne\u012ftik\u0117tin\u0105 keli\u0105 \u2013 nuo pir\u0161t\u0173 dyd\u017eio komponent\u0173 iki atom\u0173 dyd\u017eio jungikli\u0173. Jie pakeit\u0117 pasaul\u012f labiau nei bet kuri kita technologija XX am\u017eiuje. Kiekvienas j\u016bs\u0173 i\u0161manusis telefonas, kompiuteris, automobilis, net \u0161aldytuvas \u2013 visi jie veikia d\u0117l milijard\u0173 mikroskopini\u0173 jungikli\u0173, kurie milijonus kart\u0173 per sekund\u0119 \u012fsijungia ir i\u0161sijungia, atlikdami skai\u010diavimus. Ir nors art\u0117jame prie fizini\u0173 rib\u0173, in\u017einieri\u0173 i\u0161radingumas vis dar randa nauj\u0173 b\u016bd\u0173, kaip i\u0161spausti dar daugiau galios i\u0161 \u0161i\u0173 ma\u017ey\u010di\u0173 silicio stebukl\u0173.<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Kas tie tranzistoriai ir kod\u0117l jie tokie svarb\u016bs Kai atsukate kompiuterio procesori\u0173 ir pa\u017evelgiate \u012f t\u0105 ma\u017eyt\u0119 metalin\u0119 plok\u0161tel\u0119, sunku…<\/p>","protected":false},"author":1,"featured_media":6408,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_uag_custom_page_level_css":"","footnotes":""},"categories":[7],"tags":[],"class_list":["post-6135","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-kompiuteriu-remontas-kompiuteriai-naujienos-patarimai","wpcat-7-id"],"yoast_head":"\n