Skončí platnost Moorova zákona a počítačový průmysl se zastaví? Slavný fyzik Michio Kaku, který je propagátorem exponenciálních technologií, ve své skvělé knize Fyzika budoucnosti (vydána v USA 2011) předpověděl zánik tzv. Moorova zákona, podle nějž se řídí výroba integrovaných obvodů, a předpověděl tak umrtvení rozvoje celého obrovského odvětví elektroniky s hrůznými dopady na světové hospodářství. Michio Kaku ve své knize říká: „Když jsme my, fyzikové, před lety poukazovali na nezbytné zhroucení Moorova zákona, byli jsme hospodářským kruhům pro smích. Konec Moorova zákona byl ohlašován tak často, že tomu prostě nikdo nevěří. Na velké konferenci Microsoftu v Seattlu, kde bylo tři tisíce špičkových inženýrů, se o této myšlence vážně diskutovalo.“ Proč? „Kolaps Moorova zákona by měl mezinárodní dopad a ohroženy jsou biliony dolarů,“ říká Kaku a pokračuje: „Jak to však přesně skončí a co bude dál, to záleží na fyzikálních zákonech.“ Odpovědi na tyto zákony nakonec otřesou ekonomickou strukturou kapitalismu: chceme-li pochopit tuto situaci, je důležité si uvědomit, že pozoruhodný úspěch počítačové revoluce spočívá na několika fyzikálních principech, které jsme dokázali skvěle využít. Za prvé – počítače fungují závratnou rychlostí, protože se elektrické signály šíří téměř rychlostí světla. Elektrony jsou vázány k atomům jen volně. Objem informací, jež může přenést laserový paprsek, je téměř neomezený. Za druhé – světelné vlny kmitají mnohem rychleji než zvukové. Díky tomu kabel s optickým vláknem přenese na jediné frekvenci zhruba 1011 bitů informace. Toto číslo lze enormně zvýšit, jestliže do jediného optického vlákna natěsnáme mnoho signálů a ze svazků optických vláken uděláme kabel. Za třetí – počítačovou revoluci žene kupředu miniaturizace tranzistorů. Celá tato revoluce se točí okolo počítačového čipu, jenž může obsahovat stamiliony tranzistorů na malé křemíkové destičce o velikosti nehtu. Jak malý může být nakonec jeden tranzistor? Podle Michia Kaku tento proces miniaturizace nemůže pokračovat do nekonečna. Prý jde vypočítat, kdy se Moorův zákon zhroutí. Nejmenší tranzistor, jenž je možné vyleptat, má asi třicet atomů napříč. Tedy až se objeví tranzistor o velikosti jednoho atomu, tak celý systém Moorova zákona skončí. Kdy to bude? Podle Kaku to bude okolo roku 2020 nebo krátce potom a Silicon Valley se pomalu stane mrtvou zónou. Skončí doba křemíku. Najde se za křemík náhrada? Prorock ý Moor ův zákon Gordon Moore je spoluzakladatelem Intelu, významný filantrop a držitel Prezidentské medaile svobody. V roce 1965 pracoval pro výrobce čipů Fairchild Semiconductor. Napsal do časopisu Electronics článek: „Jak nacpat více součástek do integrovaných obvodů“. V článku prozíravě napsal: „Díky integrovaným obvodům budeme svědky hotových divů, například počítačů v domácnostech nebo alespoň terminálů připojených k centrálnímu počítači – automatickému řízení automobilů a osobních komunikačních zařízení.“ Nejslavnější předpověď v tomto článku, jak jej citují Andrew McAfee a Erik Brynjolfsson z MIT, zní takto: „Hustota tranzistorů na integrovaném obvodu při minimální ceně komponent se každý rok zvýší zhruba dvojnásobně. V dohledné době se tato rychlost nezmění, možná i zvýší.“ Oba autoři vysvětlují, že výraz „Hustota tranzistorů na integrovaném obvodu při minimální ceně komponent“, znamená výpočetní sílu, kterou koupíte za jeden dolar. Moore v roce 1965 vypozoroval, že za krátkou dobu existence odvětví elektroniky se tato síla každý rok zdvojnásobila. V roce 1963 jste si za jeden dolar mohli koupit dvakrát více početního výkonu než v roce 1962 a potom opět dvakrát tolik v roce 1964 a v roce 1965 se tato hodnota znovu zdvojnásobila. V roce 1975 byly obvody pětsetkrát silnější než v roce 1965. Moore tento princip předpověděl jen na deset let. Zmýlil se, trvá to už padesát let. V roce 1975 upravil odhad dvojnásobného zlepšování z jednoho roku na dva, ale tempo změn se ustálilo na 18 měsících. Jak dlouho ještě bude platit? Není to zákon , je to pravidlo Moorův zákon se výrazně liší od fyzikálních zákonů, podle kterých se řídí termodynamika nebo klasická newtonovská mechanika. Tyto zákony popisují, jak funguje svět okolo nás. Jsou platné bez ohledu na to, co děláme. Podle McAfeeho je však Moorův zákon jiný, je to výrok o práci konstruktérů a vědců v počítačovém průmyslu. Jde o postřeh, jak trvalé a úspěšné je jejich úsilí. V jiných odvětvích se s takovýmto pravidlem nesetkáváme. Auta nemají opakovaně vyšší výkon při poloviční spotřebě, dopravní letadla létají padesát let pořád stejně rychle a nemají periodicky dvojnásobný dolet a vlaky neuvezou dvojnásobný náklad. Olympionici nesníží své časy o polovinu za jednu generaci, natož za pár let. Jak to, že si počítačový průmysl udržel takové tempo, když se jeho principy také řídí fyzikálními zákony? Podle McAfeeho a Brynjolfssona z MIT „je to dáno i tím, že v počítačích je všechno mnohem volnější a konstruktéři si mohou dělat, co chtějí.“ Problémy se týkají toho, kolik elektronů za sekundu projde kanálem na integrovaném obvodě nebo jak rychle budou světelné paprsky cestovat optickým kabelem. V určitém okamžiku narazí i digitální pokrok na své meze a růst podle Moorova pravidla se zpomalí. Henry Samueli, hlavní technický ředitel výrobce čipů Broad Corporation, předpověděl, že se platnost Moorova pravidla chýlí ke konci – že v příštím desetiletí přestane platit. Doposud se v předpovědích konce všichni mýlili. Není to tím, že by nerozuměli příslušným fyzikálním principům, jen podcenili lidi, kteří pracují v počítačovém průmyslu. Dalším důvodem, proč se Moorovo pravidlo tak dlouho drží, jsou brilantní kreativní technické vychytávky – konstruktérská řešení, nápadité objížďky kolem zábran, které do cesty staví fyzika. Když se například stalo, že se už nedalo nacpat více integrovaných obvodů k sobě, tak se jednoduše začaly skládat na sebe. Tím se změnil další směr vývoje. Když například komunikační proces téměř přerostl kapacitu optického vlákna, inženýři vymysleli vlnový multiplex (WDM), technologii pro souběžný přenos mnoha světelných paprsků o různých vlnových délkách. Brilantním vychytávkám se podařilo obejít fyzikální omezení již mnohokrát. Jak uvádí vedoucí pracovník Intelu Mike Mayberry: „Když používáte pořád tutéž technologii, nevyhnutelně narazíte na strop. My jsme však během posledních čtyřiceti let zhruba co pět až sedm let technologie modifikovali. Zatím nic nenaznačuje, že by tomu mělo v budoucnu něco zabránit.“ McAfee k tomu říká: „Díky těmto modifikacím se z Moorova zákona stal ústřední fenomén věku počítačů. Můžeme si ho představit jako pravidelný rytmus na pozadí ekonomiky.“ Kvantov á fyzika Vraťme se na chvíli k fyzikovi Michiovi Kaku. Ten tvrdí: „Podle fyzikálních zákonů nakonec skončí křemíková éra a vstoupíme do období po křemíku. Tranzistory budou tak malé, že vládu převezme kvantová teorie i atomová fyzika a elektrony začnou z vodičů prosakovat. Například nejtlustší vrstva v našem počítači bude jen pět atomů tlustá. V tu chvíli podle fyzikálních zákonů přebírá vládu kvantová teorie. Heisenbergův princip neurčitosti říká, že není možné znát současně polohu a hybnost jakékoliv částice. To se příčí naší intuici, ale na atomové úrovni jednoduše nemůžeme vědět, kde elektron je, takže nemůže být nikdy přesně vázán uvnitř ultratenké vrstvy a nutně prosákne ven a způsobí tím zkrat.“ Proto jsou někteří odborníci skeptičtí ke zprávám o fungování kvantového počítače D-Wawe systems. http://www. zive.cz/clanky/google-nas-kvantovy-pocitac- je-100-000-000-rychlejsi/sc-3-a-180725/ default.aspx Než se tak stane Jestliže doba křemíková brzo skončí, co přijde po ní, jestliže kvantové čipy a počítače nebudou ještě technologicky nachystány? Podle vyjádření experta Joshua Goldbergera mnozí odborníci sází na grafen, ale ten je zatím ještě drahý – vyrábí se nanotechnologií. Od roku 2013 se našlo několik slibných řešení a nových materiálů. Germanium nahradí křemík Podle Karla Javůrka (vtm.E15) na začátku 50. let to bylo právě čisté germanium (32), díky kterému se podařilo vyrobit první tranzistory a podobné součástky pracující s elektrickou energií. Kvůli většímu výskytu křemíku v přírodě se od germania ustoupilo, byť se stále používá v některých elektronických součástkách a optických čočkách (germanium v daném materiálu zvyšuje index lomu). Javůrek uvádí, že na germanium se proto zaměřili vědci z univerzity v Ohiu. Vytvořili z něj tenkou vrstvu, která je podobná dvourozměrné vrstvě atomů uhlíku (grafen). Výsledný materiál se jmenuje „germanen“ a poprvé se ho podařilo vyrobit ve větším množství, aby vědci mohli podrobně otestovat jeho chování. Po překonání několika problémů s vytvořením germanenu se podařilo ověřit, že je chemicky mnohem stabilnější než křemík, který působením vody i vzduchu oxiduje. To je dobrá zpráva pro výrobu. Pro využití v optických součástkách nebo solárních článcích se hodí vlastnost direct band gap tohoto materiálu. Z germania bude možné vyrobit solární článek jako z křemíku, ale materiál může být třeba stokrát tenčí. To samozřejmě znamená i nižší výrobní cenu a nové možnosti použití – v displejích, na zařízeních, budovách, oknech… Významnou vlastností germanenu je také pohyblivost elektronů skrze materiál. Je desetkrát lepší než u křemíku. Čipy založené na tomto materiálu by tak mohly být mnohem rychlejší. Nad ěje pro TSMC, Intel i IBM Využití rychlejšího materiálu je možná jedna z cest, kterou budou muset vědci a inženýři v nejbližších letech jít. Je to totiž jednodušší než řešit problémy s příliš malými tranzistory pod úrovní 6 nm. I v tomto směru se pochopitelně vědci snaží, ale rozhodně to na první pohled není tak snadné, jako přechod na „rychlejší materiál“, který je navíc desítky let zpracováván a prověřen ve výrobě. Na konci minulého roku si nechal Intel patentovat použití germania pro tvorbu tranzistorů. IBM již dávno vytvořila prototyp hybridního tranzistoru z křemíku a germania, který dokázal pracovat na frekvenci nad hranicí 1 THz, byť s extrémně nízkou teplotou. Magnetit – zajímav ý kandid át Podle Karla Javůrka z VTM – vědci z americké národní laboratoře SLAC (DOE) při bližším zkoumání vlastností magnetitu objevili jeho výjimečné schopnosti pro rychlé elektronické přepínání stavů. Přestože se jedná o přírodní minerál, jeho vlastnosti mohou pomoci zlepšit rychlost současných křemíkových čipů. Vědcům se totiž podařilo objevit technologii, která umožňuje snímat velmi rychlé změny stavů, což dříve nebylo možné tak přesně měřit a nebylo tak jednoduché určit vlastnosti materiálu. S pomocí týmu ze Stanfordu je rychlost přepnutí vodivého a nevodivého stavu (zapnuto/vypnuto) v magnetitu tisíckrát rychlejší, než u běžných křemíkových tranzistorů. Problém magnetitu ale tkví v tom, že pro tyto vlastnosti je nutná teplota –190 °C, což je pro běžné použití neefektivní. Důležitým objevem ale není samotná rychlost magnetitu, ale měřicí zařízení, respektive laser. Oproti běžným optickým laserům používá i rentgenové pulzy, které jsou schopné detekovat změny v tisíckrát kratším čase – v jedné triliontině sekundy. Díky tomu mají vědci nástroj pro velmi přesné měření toho, co se v materiálu děje při formování vodivého stavu a nevodivých částí v materiálu. Optimalizace materi álů Javůrek uvádí, že s novou technologií pro přesné měření celého procesu je možné optimalizovat i složitější materiály, které nabízejí tzv. přepínací vlastnost při pokojové teplotě. Jeden z hlavních vědců v týmu Hermanna Dürra tvrdí, je nyní potřeba zkoumat další materiály i další techniky jak zlepšit přepínací rychlost. To by mělo umožnit vytvořit v relativně krátkém čase tranzistory i s tisíckrát rychlejším přepínáním stavů mezi 0 (vypnuto) a 1 (zapnuto). Není tak potřeba řešit složitější materiálové a technologické změny jako u budoucích revolučních forem pokročilých čipů. Oxid vanadičit ý v popředí zájmu Jedním z prvních materiálů, na kterých začali vědci hned po jeho objevu pracovat, je oxid vanadičitý, který má podobné vlastnosti jako magnetit, ale při běžné pokojové teplotě. Podle již zmíněného Hermanna Dürra je dnes velmi těžké přijít s novým materiálem nebo novou technologií v oblasti tranzistorů, protože stávající křemík je jako hlavní polovodičový materiál pro tvorbu tranzistoru standardem už opravdu hodně dlouho. Pokud by ho měl v nejbližší době nahradit nějaký jiný materiál, musí se jednat o vynikající náhradu. Musí mít mnohem vyšší rychlost přepínání a musí být možné jej zpracovat pomocí současných výrobních technologií, případně s velmi malými úpravami. Vědce tak v případě oxidu vanadičitého čeká zkoumání přepínání stavu pomocí silných, ale velmi krátkých elektrických impulzů, podobně jako u běžných tranzistorů. V rámci první fáze totiž pro přepínání používali zmíněné lasery a rentgenové paprsky. Závěr V oblasti nanotechnologií a nových materiálů můžeme do deseti let očekávat obrovské zvraty. Jestliže je Průmysl 4.0 o totální digitalizaci a robotizaci v průmyslu i denním životě, podle mne se nejvíce radikálních změn odehraje v tzv. Průmyslu 5.0 (číslování je můj výmysl), tedy v průmyslové revoluci materiálů bez těžby surovin – což bude nové materiálové inženýrství a vyvolá nepředstavitelné synergie s ostatními technologiemi. Spojí se exponenciální technologie, nové inteligentní materiály a 3D tisk jako bezodpadová technologie, nanoroboti a lidstvo bude kráčet k éře převratných vynálezů, hojnosti, seberealizace, umění, výzkumu kosmu, výzkumu podstaty a prodlužování života i využívání kvantové fyziky, která zřejmě nastartuje tzv. Průmysl 6.0. Za třicet až čtyřicet let můžeme očekávat biologizaci všeho možného okolo nás (domy, pracoviště, auta, letadla) a éru rozumného využívání inteligence přírody a krajiny. PhDr. Karel Červený, MSc., MBA Vedoucí lektor inovační kreativity
