Komputerek a szilíciumkorszak után

A jelenlegi, szilíciumalapú számítógépes csipek már nem sokáig gyorsulhatnak tovább, mivel hamarosan fizikailag is lehetetlen lesz a bennük rejlő sok milliárd tranzisztort tovább miniatürizálni. Így a mainál is gyorsabb informatikai eszközök teljes paradigmaváltást kívánnak. A megújulás egyik lehetséges útját jelentik a fázisváltó anyagok.

Az Intel számítógépes cég egyik vezetője, Gordon Moore a hatvanas évek közepén azt az akkor szinte hihetetlennek tűnő jóslatot tette, hogy a komputerek lelkének számító csipekben elhelyezett parányi tranzisztorok száma (és ezáltal a számítógépek kapacitása) másfél-két évente meg fog duplázódni, miközben a csipek mérete változatlan marad. Ez csak úgy lehetséges, ha a tranzisztorok mérete drasztikusan csökken, szinte hónapról hónapra. Az előrejelzés helyesnek bizonyult, az azóta Moore-törvénynek elnevezett megfigyelés mind a mai napig megállja a helyét (bár természetesen ez nem törvény a szó matematikai-fizikai értelmében, inkább becslés, hiszen szükségszerűségét nem bizonyítja semmi).
Az elmúlt fél évszázadban a komputerek exponenciális gyorsulásának hátterében a tranzisztorok számának növelése és a processzorok mind hatékonyabb kialakítása állt, miközben a félvezető szilíciumon alapuló technológia alapjaiban alig változott. Ez azonban nem folytatható a végtelenségig. Jelenleg a legapróbb tranzisztorok (amelyeket logikai egységeknek is neveznek) mérete körülbelül húsz nanométeres (egy nanométer a milliméter milliárdomod része), és rétegekben helyezik el őket. Csakhogy ha tovább csökken a méretük, és a rétegek között is szűkebb lesz a rés, az már annak veszélyével fenyeget, hogy az adattárolást biztosító elektronok kiszabadulhatnak a számukra kijelölt helyről. Ez pedig lehetetlenné teszi a működést.
A Cambridge-i Egyetem kutatói már évek óta dolgoznak a fizikai teljesítőképességük határára érkezett szilíciumcsipek helyébe lépő új technológiák fejlesztésén, amelyek közül az úgynevezett fázisváltó anyagokból készült memóriaegységeket tartják a legígéretesebbeknek – olvasható a Science Daily internetes tudományos magazin napokban közölt írásában. Ezen anyagok különlegessége, hogy elektromos impulzus hatására villámgyorsan képesek halmazállapotot (fázist) váltani. Nanoszekundumok alatt „fagynak meg” és alakítanak ki szilárd kristályszerkezetet, majd ugyanilyen gyorsan olvadnak újra rendezetlen, amorf szerkezetű anyaggá. A számítógéptudósok érdeklődését leginkább az a tulajdonságuk keltette föl, hogy a fázisátmenetek során megváltozik elektromos vezetőképességük is, egyszer szigetelnek, másszor vezetik az áramot. Így (hasonlóan a hagyományos szilíciumtranzisztorok ki- és bekapcsolt állapotához) bitek tárolására is alkalmasak.
A kutatók nemrégiben sikeresen modelleztek egy angol–szingapúri konzorcium által fázisváltó anyagokból felépített processzort. Úgy találták, hogy ennek sebessége akár ötszázszor-ezerszer is meghaladhatja a jelenlegi számítógépekben használatos központi egységek gyorsaságát, miközben kevesebb energiát fogyasztanak azoknál. Az amerikai tudományos akadémia folyóiratában, a PNAS-ben közölt tanulmányukban bemutatják, hogy a processzorok részegységei, amelyekben a CD-k és DVD-k gyártásakor használt anyaghoz hasonló üvegszerű fázisváltó vegyületeket használtak, alig fél nanoszekundum alatt tudtak halmazállapotot váltani. Tovább növeli a teljesítményüket, hogy a legapróbb tranzisztorokhoz képest tizedakkora, két nanométeres méretben is működhetnek, így sokkal több fér el belőlük ugyanakkora helyen.
A fázisváltáson alapuló számítástechnikai eszközök sebessége még nagyobb lehet azáltal, hogy a hagyományos számítógépekkel ellentétben nem kell külön tárolniuk az adatokat, és máshol végezniük a számításokat, hanem e két funkció történhet ugyanott. A technológiának jelenleg azonban még hátulütői is vannak, ezek legalábbis néhány évig még hátráltathatják, hogy széles körben elterjedjenek a fázisváltó memóriát és processzorokat tartalmazó eszközök. Egyelőre nem eléggé stabilak, így hamarabb tönkremennek, mint a szilíciumcsipek, és hiába rejtenek óriási lehetőséget, most még a számítások is lassabban hajthatók végre rajtuk.
A mobileszközök terjedése megkövetelte sebességnövekedési és méretcsökkentési kényszer azonban elég motivációt adhat a mérnököknek, hogy hamar áthidalják ezeket a problémákat.

2014. szeptember 25.