Skersai plauką tilptų 5000 šiuolaikinių tranzistorių. Kaip keisis šis smulkus darbininkas? Galima įsivaizduoti keletą krypčių, kuriomis galima tikėtis pažangos.
Pagal savo pobūdį technologijos būna tęstinės, kai gaminys tobulinamas pagal vartotojams svarbiausius parametrus, ir užuomazginės, kai naujo gaminio pagrindiniai parametrai yra net prastesni, bet jis turi kitų patrauklių savybių. Pavyzdžiui, yra daug mažesnis už pirmtaką. Kartais užuomazginėmis technologijomis pagįstas gaminys ilgainiui pralenkia tęstinėmis technologijomis tobulinamą gaminį.
XX a. septintajame dešimtmetyje tuo metu labai ištobulintas vakuumines lempas radijo, televizijos ir kituose elektroniniuose aparatuose pakeitė puslaidininkinis prietaisas – tranzistorius. Šeštajame dešimtmetyje jis buvo primityvus ir nepatikimas, bet daug mažesnis, lengviau pagaminamas. Vartojo nepalyginti mažiau energijos.
Tranzistoriai darėsi vis paprastesni ir patikimesni. Skaičiavimo technikoje dabar dominuojantį lauko tranzistorių sudaro du kontaktai (ištaka ir santaka), tarp kurių yra kanalas. Jo laidumą galima keisti, keičiant virš to kanalo esančio trečiojo kontakto, užtūros, elektrinį potencialą. Daugybę tokių tranzistorių galima formuoti ant puslaidininkio plokštelės lygiagrečiai, vienu metu atliekant tą pačią technologinę operaciją su visais tranzistoriais ir juos jungiančiais laidžiais takeliais.
Vienoje silicio plokštelėje (dabar lustų gamyboje dominuoja silicis, o standartinis plokštelės diametras yra 30 cm) formuojami tūkstančiai lustų, o viename luste gali būti keli milijardai tranzistorių. Jau keletą dešimtmečių tranzistorių skaičius luste padvigubėja maždaug kas dveji metai. Tai Mūro dėsnis, ne tik konstatavęs vystymosi tendencijas, bet ir „vertęs“ elektronikos gamintojus ieškoti naujų technologinių sprendimų, kad neatsiliktų nuo konkurentų.
Tranzistoriai tapo vis paprastesni ir mažesni, o puslaidininkinių lustų gamyklos – vis sudėtingesnės ir didesnės. Įrengti tokią gamyklą dabar kainuoja daugiau kaip 15 mlrd. eur. Taigi, ji kainuoja brangiau už branduolinę elektrinę. Kuo mažesnis tranzistorius, tuo sudėtingiau jį pagaminti. Tačiau technologinės ribos nuolat nugalimos. Paskutinis lustų glaudaus „apgyvendinimo“ tranzistoriais triukas – daugiaaukščių lustų gamyba. Tačiau atstumas tarp ištakos ir santakos priartėjo prie fizikinės ribos – maždaug 10 nanometrų, kai elektrono jau nebegalima laikyti įelektrinta dalele, kurios vietą ir greitį įmanoma nusakyti tiksliai.
Laboratorijose jau seniai gaminami vienelektroniai tranzistoriai, kuriuose perjungimą tarp laidžios ir nelaidžios būsenos įvykdo vienas elektronas. Lustus gaminti iš vienelektronių tranzistorių technologiškai įmanoma, tačiau veikia jie tik labai žemose, maždaug -2600C temperatūrose.
Šiuo metu pasaulyje žinoma daugiau kaip 70 milijonų įvairių medžiagų. Per minutę pasaulyje užregistruojama vidutiniškai 10 naujų. Tarp šias medžiagas sudarančių molekulių yra tinkamų atlikti tranzistoriaus funkciją: paveikus elektriniu lauku, persijungti iš laidžios į nelaidžią būseną arba atvirkščiai. Tačiau proveržio gaminant vienmolekuliniais tranzistoriais pagrįstus lustus dar nėra.
Matyt, daug ko galėtume pasimokyti iš gamtos. Pavyzdžiui, bitės smegenyse yra tik 1 milijonas neuronų (jūsų išmaniojo telefono procesoriuje – daugiau nei milijardas tranzistorių). Bitutės smegenys atlieka tik tūkstantį veiksmų per sekundę (išmanusis – milijoną kartų daugiau) ir vienam veiksmui sunaudoja apie milijoną kartų mažiau energijos. Bitė negali sudainuoti tiek hitų, kiek įrašyta jūsų telefone, bet ji gali kai ką daugiau nei jūsų organizmo dalimi tampantis mobilusis išmanusis organas.
Jau išmokome informaciją perduoti šviesa. Norėtųsi ir apdoroti ją šviesos pavidalu. Tam reikia optinio tranzistoriaus, galinčio perjungti šviesos srautus. Optinis kompiuteris buvo intensyviai kuriamas prieš 20-30 metų, bet visi iki šiol pasiūlyti optiniai tranzistoriai turi bent vieną iš trijų trūkumų: arba gerai veikia tik žemose temperatūrose, arba jų perjungimui reikia labai didelių šviesos galių, arba jie veikia per lėtai.
Žlugo ir idėja gaminti kompiuterius, paremtus Džozefsono jungtimis. Žemose temperatūrose medžiagos įgyja superlaidumo savybę: elektros srovė per juos teka visai be energijos nuostolių. Atskyrus du superlaidininkus labai plonu nesuperlaidžios medžiagos sluoksniu, srovė per tą darinį irgi tekės be nuostolių. Tai ir bus Džozefsono jungtis. Paveikus magnetiniu lauku, pavyzdžiui, netoli jungties praleidus elektros srovę, jungtį galima perjungti iš superlaidžios į nesuperlaidžią būseną.
Tokiomis jungtimis pagrįstus kompiuterius buvo bandoma gaminti praeito šimtmečio 7-ajame dešimtmetyje, bet veikė jie tik panardinti į skystą helį – nepigų ir tokioje temperatūroje sunkiai išlaikomą skystį. Susidomėjimas Džozefsono kompiuteriais atgijo devintajame dešimtmetyje, atradus aukštatemperatūrius superlaidininkus, superlaidumo savybę išlaikančius aukštesnėse nei skysto azoto temperatūrose. Nešiojamą kompiuterį tampytis skysto azoto rezervuare būtų nepatogu, tačiau didiesiems kompiuteriams toks šaldymas gal ir būtų priimtinas. Pasirodė, kad Džozefsono jungtys aukštatemperatūriams superlaidininkams neveikia taip, kaip klasikiniams. „Užšaldyta“ idėja laukia geresnių laikų.
Gal ateitis priklauso kvantiniams kompiuteriams? Sėkmė priklausys nuo tokių kompiuterių technologiškumo. Dabar naudojami tranzistoriai gali būti tik pralaidžioje arba nepralaidžioje būsenose, skaitmeninėse operacijose atitinkančiose 1 arba 0 (taip arba ne). Dvejetainėje sistemoje yra tik du skaitmenys: 0 ir 1. Žinojimas, kas šiuo metu yra nulis ar vienetas, yra minimalus informacijos kiekis, vadinamas bitu.
Atlikti veiksmus dvejetainėje sistemoje paprasta, bet skaičiai gaunasi griozdiški. Kasdieniame gyvenime įprastoje dešimtainėje sistemoje šiuos metus galime užrašyti kompaktiškai: 2018. Dvejetainėje sistemoje tam reiktų net 11 skaitmenų: 11111100010. Kvantiniame kompiuteryje persijungiantis elementas – tranzistoriaus analogas gali būti daugelyje būsenų. Tiksliau pasakius, būsenos dvi, bet jų indėlis į suminę būseną gali būti skirtingas. Kaip būsena myli-nemyli. Jei buriame pagal ramunės žiedlapius (binarinė sistema), tai arba myli, arba ne. Jei tam naudojame kvantinį kompiuterį, gali būti daug tarpinių variantų. Skaičiavimo technika artėja prie realaus gyvenimo.
Su kvantiniais kompiuteriais susiję tyrimai svarbūs ir informacijos kodavimui. Tai jau taikoma praktikoje. Deja, kuo sistema sudėtingesnė, tuo ji trapesnė. Chaotinis šiluminis judėjimas labai žalingas kvantiniam kompiuteriui. Kvantinį kompiuterį reikia šaldyti. Vykstant globaliniam atšilimui, aušinimas ir šaldymas tampa labai svarbia technologine problema ne tik buityje, bet ir dirbtiniame nanopasaulyje, nuo kurio vis labiau priklauso mūsų gyvenimas.
Norinčius daugiau sužinoti apie naujausias šios srities tendencijas ir technologijas kviečiame į akad. G. Tamulaičio paskaitą „Kaip kompiuteris tapo telefonu, o telefonas – kompiuteriu“, kuri įvyks rugsėjo 21 d. 12 val. Šiaulių Didždvario gimnazijoje (Vilniaus g. 188, Šiauliai).