Zvětšit obrázek

Graf počtu transistorů na různých procesorech během času. (Kredit: Wikipedia)

Ze skla na krystal a zpět

Chalkogenidy jsou soli chalkogenovodíkových kyselin a připravují se např. přímou syntézou prvků  nebo reakcí kyselin a elektropozitivního prvku, jako je zinek nebo draslík, a  případně i obyčejné železo. Vědci z Univerzity v Cambridge, ze Singapurského institutu A*STAR Data-Storage a ze Singapurské univerzity ve svém projektu podrobně zkoumali velmi zajímavou vlastnost  chalkogenidů. Tyto sloučeniny dokáží velice rychle měnit svůj fázový stav z krystalu na sklo. Přitom krystal vede elektrický proud, zatímco sklo funguje jako izolant. Převedeno do řeči počítačů, krystal je 1, sklo 0. Fázový přechod mezi těmito dvěma stavy je přitom velmi rychlý, látka může roztát a znovu zkrystalizovat za půl nanosekundy. Vše díky ultra krátkým napěťovým pulsům.
 

Desmond Loke z University of Cambridge je prvním autorem publikace, která k tomuto tématu vychází pod názvem „Ultrafast phase-change logic device driven by melting processes“ vychází ve sborníku Americké akademie věd (PNAS vol. 111 no. 37).

Rychlost, s jakou se může měnit stav látky je, převedeno v počítačový čip, 500 až 1000krát větší než současné křemíkové technologie. Navíc je i energeticky úspornější, nedochází zde k tepelným ztrátám, jako je tomu u klasických křemíkových čipů. Otevírá se tak cesta k tera hertzovým procesorům. Nejedná se tedy o doslovné dodržení Mooreova zákona, protože zvýšení výpočetní kapacity neprobíhá zvýšením počtu tranzistorů, ale použitím kvalitativně jiné náhrady. Místo křemíkových prvků, jejichž další zvyšování hustoty naráží na technické limity používané litografické metody, bude procesor obsahovat menší množství prvků, ale bude schopen pracovat na podstatně vyšším taktovacím kmitočtu.

Profesor Stephen R. Elliott, vedoucí výzkumného týmu. (Kredit: UC)

Samotný výzkum prvků s fázovou přeměnou (PCM phase change materials) není nový. Kupříkladu PCM prvky najdeme na vypalovacích DVD a CD. Zde se jednalo o optické paměťové médium. Elektrické prvky dlouho bojovaly s rychlostí fázové změny a také stabilitou stavu krystal – sklo po změně. Vědci zjistili, že pokud proces začnou z krystalického, nikoliv z amorfního stavu, je změna jednak rychlejší a také stabilnější.

 Podle Dr. Desmonda Lokea ze Singapurské univerzity mohou PCM prvky najít svoje uplatnění především v DRAM pamětech. Současné křemíkové obvody vyprodukují informaci na jiném místě, než je fyzicky uložena. Navíc zde není uložena informace trvale, neustále dochází k pozvolné ztrátě náboje, proto jsou nutné časté, energeticky náročné, obnovy uložené informace. PCM prvky by umožnily zachovat vysokou kapacitu paměti a odstranily by nutnost refreshování. A navíc je informace uložena na místě, kde vznikne. Ve svém výsledku by to znamenalo větší a energeticky méně náročné paměti jak pro počítače, tak pro mobilní zařízení. Toliko optimistické vyhlídky pana Loka.

Zvětšit obrázek

Model molekuly amorfního stavu slibného materiálu GST ( Ge2Sb2Te5.) . Kredit: Stephen R. Elliott)

 A teď k tomu ale, aneb jak praví pan Bergerac: „Při poslání bodnu“. Vědci konkrétně zkoumali sloučeninu Ge₂Sb₂Te₅ (GST), která všechny výše uvedená  kritéria splňuje, jenomže při pracovní teplotě okolo 800 až 1000K, tedy zhruba od 500 do 700 stupňů Celsia, což jak sami uznáte, je daleko mimo provozní teploty současných počítačů. Je zajímavé, že přiložený článek, ze kterého jsem čerpal, tuto skutečnost diskrétně zamlčuje. Takže teoreticky je to úžasná věc, pokud se nám podaří zkonstruovat počítač, který bude mít v sobě aktivní prvky o provozní teplotě okolo 900K. I když se bude jednat o struktury v řádech desítek nanometrů, které může prohřívat proud v řádech desetin miliampér, bude to pořádný oříšek.  Možná se v této oblasti rozpoutá podobný závod jako je s vysokoteplotními supravodiči, jenomže zde se budou hledat sloučeniny pracující při co nejnižších teplotách a vítězem bude ten, kdo vyrobí látku, která by dokázala zvládat fázový přechod při pokojové teplotě. Do té doby se budeme muset spokojit se zvyšováním počtu jader v procesorech a 3D konstrukcí procesorů.

 
Zdroje: Mooreuv zákon
 Chalkogenidy http://en.wikipedia.org/wiki/Chalcogenide
 http://www.cam.ac.uk/research/news/quick-change-materials-break-the-silicon-speed-limit-for-computers