עשרים השנים הבאות של המיקרו-שבבים

עשרים השנים הבאות של המיקרו-שבבים
מאת סיינטיפיק אמריקן ישראל ראשון, 18 אפריל 2010 08:20

קירור שבבים תלת ממדיים. איור: יבמ

מאת עורכי סיינטיפיק אמריקן
באדיבות סיינטיפיק אמריקן ישראל

ב-1975 ניסח חלוץ האלקטרוניקה גורדון מור את תחזיתו המפורסמת, ולפיה מורכבותם של שבבי מעגלים משולבים תוכפל מדי שנתיים. התפתחויות בייצור יאפשרו לטרנזיסטורים שבשבב להתכווץ עוד ועוד, כך שהאותות החשמליים יצטרכו לעבור מרחקים קטנים יותר כדי לעבד מידע. פירושו של "חוק מור" זה, כפי שכונה אחר כך, מבחינת תעשיית האלקטרוניקה והצרכנים הוא שהתקנים ממוחשבים ילכו וייעשו בהתמדה קטנים, מהירים וזולים יותר. בזכות החדשנות הבלתי פוסקת בתכנון ובייצור של מוליכים למחצה, עברו השבבים במשך 35 שנים מסלול קרוב מאוד לתחזית של מור.

עם זאת, המהנדסים ידעו שבנקודה מסוימת הם ייתקלו במחסום. הטרנזיסטורים יגיעו לעובי של עשרות אטומים בלבד, ובקנה מידה זה חוקי הפיזיקה הבסיסיים מציבים גבולות. אפילו לפני שיגיעו למחסום הזה, היה סביר להניח שיתעוררו שתי בעיות מעשיות: עלות הצבתם של טרנזיסטורים כה קטנים וצפופים תוך שמירה על תפוקה גבוהה – מספר שבבים שמישים לעומת פגומים – עלולה להיות גבוהה מדי, והחום שמופק כתוצאה מהפעלה ומכיבוי של סבך הטרנזיסטורים עלול להתגבר כל כך עד שיפגע ברכיבים עצמם.
ואכן, המהנדסים נתקלים במכשולים האלה בשנים האחרונות. הסיבה העיקרית לכך שמחשבים אישיים משווקים כיום בקול תרועה כבעלי שבבים עם "ליבה כפולה", כלומר שני מעבדים קטנים במקום אחד, היא שדחיסת המספר הדרוש של טרנזיסטורים לשבב יחיד וקירורו נעשו בעייתיים מדי. במקום זאת, מתכנני המחשבים בוחרים להציב שני שבבים או יותר זה לצד זה, ולתכנת אותם כך שיעבדו מידע במקביל.

נראה שבא יומו של חוק מור, והמקום הולך ונגמר לטרנזיסטורים שבשבב. אם כך, כיצד יצליחו המהנדסים להמשיך וליצור שבבים חזקים יותר? שתיים מן האפשרויות הן מעבר לארכיטקטורות חלופיות, ושכלול של ננו-חומרים כך שיהיה אפשר להרכיב אטום אחר אטום. אפשרות שלישית היא ליצור דרכים חדשות לעיבוד מידע, ובכללן מחשוב קוונטי וביולוגי. בעמודים הבאים נעיף מבט במבחר פיתוחים, שרובם מצויים כעת בשלב של אבטיפוס ועשויים להמשיך בשני העשורים הבאים את מגמת ה"קטן, מהיר וזול יותר" של מוצרי המחשוב, ששירתה אותנו נאמנה עד כה.

גודל: לחצות את הקו

מבנים ננומטרים - המעבדה הלאומית לורנס ליברמור LLNL

רוחבם של הטרנזיסטורים המסחריים הקטנים ביותר המיוצרים כיום הוא 32 ננומטר בלבד – כ-96 אטומים של סיליקון. התעשייה מכירה בכך שיהיה קשה מאוד ליצור בתוך שבב חלקים קטנים מ-22 ננומטר באמצעות טכניקות הליתוגרפיה המקובלות, שהשתכללו במשך עשרות שנים.

אפשרות אחת, הכוללת חלקי מעגל בגודל דומה אך מציעה כוח חישוב גדול יותר, ידועה בשם "עיצוב קווי רוחב" (crossbar). במקום לייצר את כל הטרנזיסטורים על מישור אחד (בדומה למכוניות שמצטופפות בפקק תנועה על נתיבים של כביש מסיליקון), גישת קווי הרוחב כוללת אוסף של תילי-ננו מקבילים במישור אחד, שעוברים מעל אוסף שני של תילים ניצבים להם (כמו שני כבישים בזווית ישרה). בין שני האוספים מונחת שכבה חוצצת שעוביה מולקולה אחת. הצמתים הרבים שבין החוטים יכולים לפעול כמתגים המכונים "ממריסטורים" ומייצגים 0 או 1 (ביטים, או ספרות בינאריות) באותו האופן כמו טרנזיסטורים. אבל הממריסטורים יכולים גם לאחסן מידע. השילוב של היכולות האלה מאפשר ביצוע של מגוון פעולות חישוב. בעיקרון, ממריסטור יחיד מסוגל לבצע עבודה של 10 או 15 טרנזיסטורים. מעבדות היולט-פקרד (HP) יצרו אבות טיפוס של עיצובי קווי רוחב עם תילי טיטניום ופלטינה ברוחב של 30 ננומטר באמצעות חומרים ותהליכים דומים לאלה שכבר הגיעו לרמה מיטבית בתעשיית המוליכים למחצה. חוקרי החברה סבורים שיהיה אפשר להקטין את התילים עד 8 ננומטרים. כמה קבוצות מחקר אחרות יוצרות קווי רוחב מסיליקון, מטיטניום ומכסף גופרי.

חום: מקררים או רוח
כשמיליארד טרנזיסטורים פועלים בשבב יחיד, סילוק החום שנוצר כתוצאה מהפעלתם וכיבויים נעשה לאתגר של ממש. במחשבים אישיים יש מקום למאוורר, אך אפילו הוא אינו יכול לקרר את השבבים לגמרי: הוא מסוגל לטפל בהספק של כ-100 ואט הנפלט כחום מכל אחד מן השבבים. על כן המתכננים מפתחים דרכים חדשות לקירור. למחשב הנייד MacBook Air יש מארז מלוטש עשוי אלומיניום מוליך חום, המתפקד כצלעות קירור. במחשב האישי Apple Power Mac G5 זורם נוזל דרך תעלות מיקרוסקופיות שנחרטו בצד התחתון של שבב המעבד.

עם זאת, השילוב של אלקטרוניקה ונוזלים מעורר קושי, ובגאדג'טים קטנים וניידים יותר כגון טלפונים חכמים פשוט אין מקום לאינסטלציה – או למאווררים. קבוצת מחקר של אינטל יצרה סריג-על מיריעות דקות של החומר ביסמות טלורי ושילבה אותו בציפוי של שבב. החומר התרמו-חשמלי הזה ממיר הפרשי טמפרטורה לחשמל ומקרר על ידי כך את השבב עצמו.

חברת ההזנק Ventiva, המתבססת על מחקר שנערך באוניברסיטת פורדו, מייצרת "מאוורר" זעיר ונטול חלקים נעים המבוסס על התקן של מצב-מוצק. המתקן יוצר משב רוח באמצעות אפקט המכונה רוח יונית – תופעה המשמשת גם במטהרי אוויר ביתיים שקטים. חוטי חשמל מעבירים זרמים לאורך סבכה קעורה במקצת ויוצרים פלזמה בקנה מידה מיקרוני. היונים הנוצרים בתערובת דמוית-גז זו מניעים את מולקולות האוויר מן החוטים לעבר לוחית סמוכה ויוצרים משב רוח. מאוורר כזה מפיק זרימת אוויר גדולה יותר משמפיקים מאווררים מכניים רגילים, והוא קטן בהרבה. ממציאים אחרים מייצרים מאווררים בעלי מנועי סטירלינג, שיוצרים רוח בלי לצרוך חשמל (אם כי הם עדיין מגושמים באופן יחסי). המאווררים האלה מופעלים בכוח הפרשי הטמפרטורה שבין אזורים חמים לקרירים בשבב.

ארכיטקטורה: ליבות מרובות

שבב ננומטרי מרובה לבות

טרנזיסטורים קטנים יותר יכולים לעבור ביתר מהירות בין מצב כבוי למצב מופעל, שמייצגים 0 ו-1, ולהפוך את השבב כולו למהיר יותר. אלא שקצב השעון – מספר ההוראות שהשבב מסוגל לעבד בשנייה – התייצב על בין 3 ל-4 ג'יגה-הרץ, כשהגיעו השבבים לתקרת החום. השאיפה לביצועים טובים עוד יותר במגבלות החום והמהירות הביאה את המתכננים להציב שני מעבדים, או ליבות, על גבי אותו השבב. כל ליבה פועלת באותה מהירות כמו המעבדים הקודמים, אך מכיוון שהשתיים עובדות במקביל הן מסוגלות לעבד יותר נתונים באותו פרק זמן, והן צורכות פחות חשמל כך שנוצר פחות חום. המחשבים האישיים החדשים ביותר מתהדרים כעת במעבדים בעלי ארבע ליבות, כגון מעבדי Intel i7 או AMD Phenom X4.

מחשבי העל החזקים ביותר בעולם כוללים אלפי ליבות, אך במוצרי צריכה, שימוש יעיל ולו בכמה ליבות ספורות מצריך טכניקות תכנות חדשות שיוכלו לחלק את הנתונים ואת העיבוד ולתאם משימות. יסודות העיבוד המקבילי נוסחו בשביל מחשבי-על בשנות ה-80 וה-90, כך שהאתגר הוא ליצור שפות וכלים שמפתחי התוכנה יוכלו להשתמש בהם לכתיבת יישומים לשוק הצרכני. חטיבת המחקר של מיקרוסופט, לדוגמה, יצרה את שפת התכנות F#. שפה מוקדמת בשם Erlang של החברה השבדית אריקסון העניקה השראה לשפות חדשות, בהן Clojure ו-Scala. גם מוסדות כמו אוניברסיטת אילינוי עוסקים בתכנות מקבילי בשביל מעבדים מרובי ליבות.

אם יהיה אפשר לשכלל את הגישות האלה, יוכלו מכשירים שולחניים וניידים להכיל עשרות (או יותר) מעבדים מקבילים, שבכל אחד מהם יהיו פחות טרנזיסטורים מן השבבים של היום, אך כקבוצה הם יעבדו מהר יותר.

חומרים דקים יותר: צינוריות-ננו והתקבצות עצמית
כבר לפני עשר שנים החלו מומחים שונים להלל את הננוטכנולוגיה ולראות בה פתרון לכל מיני אתגרים ברפואה, באנרגיה וכמובן גם במעגלים משולבים. חסידיה טוענים שתעשיית המוליכים למחצה, שמייצרת שבבים, היא שהביאה לעולם את תחום הננוטכנולוגיה כשיצרה טרנזיסטורים קטנים יותר ויותר.

עם זאת, התעוררו ציפיות עוד יותר גבוהות מן התחום הזה, כלומר שמהנדסים יוכלו לעצב מולקולות כרצונם בשיטות ננוטכנולוגיות. טרנזיסטורים שהורכבו מצינוריות-ננו פחמניות, לדוגמה, עשויים להיות קטנים בהרבה מאלה המצויים בשימוש היום. ואכן, מהנדסים בחברת IBM הצליחו ליצור מעגל CMOS רגיל, שהמצע המוליך בו הוא צינוריות-ננו פחמניות במקום סיליקון. יורג אפנזלר מאותו צוות, כעת באוניברסיטת פורדו, מתכנן טרנזיסטורים חדשים קטנים בהרבה מהתקני CMOS שיוכלו להיטיב לנצל את בסיס צינוריות-הננו הזערורי.

סידור של מולקולות ואפילו אטומים עשוי להיות בעייתי, בייחוד לנוכח הצורך לסדר כמויות גדולות שלהם במהלך ייצור שבבים. פתרון אחד יכול להיות מולקולות שמתקבצות מעצמן: ערבבו אותן יחדיו, חשפו אותן לחום או לאור או לכוח צנטריפוגלי, והן יתארגנו מעצמן בתבנית שאפשר לחזות מראש.

חברת IBM הדגימה יצירה של מעגלי זיכרון מפולימרים הקשורים ביניהם בקשרים כימיים. כששוזרים את המולקולות על פני משטח סיליקון ומחממים אותן, הן נמתחות ויוצרות מבנה דמוי כוורת עם חרירים שגודלם 20 ננומטר בלבד. את התבנית הזאת אפשר לצרוב, לאחר מכן, על גבי הסיליקון וליצור שבב זיכרון באותו הגודל.

טרנזיסטורים מהירים יותר: גְרַפֵן דקיק

יריעות גרפן

הרעיון שבבסיס המזעור הבלתי פוסק של הטרנזיסטורים הוא קיצור המרחק שהאותות החשמליים צריכים לעבור בתוך השבב, ועל ידי כך זירוז עיבוד המידע. עם זאת, חומר מסוים אחד – גְרַפֵן – מסוגל לפעול מהר יותר בזכות המבנה הטבעי שלו.

רוב השבבים הלוגיים שמעבדים מידע משתמשים בטרנזיסטורי אפקט שדה שנבנו בטכנולוגיית CMOS. אפשר לדמות את הטרנזיסטור לעוגת שכבות מלבנית וצרה, עם שכבה של אלומיניום (או, לאחרונה, פוליסיליקון) למעלה, שכבת תחמוצת מבודדת באמצע ושכבה של סיליקון מוליך למחצה למטה. הגרפן, מבנה של פחמן שהצליחו לבודד לאחרונה, בנוי כיריעה שטוחה של משושים שנראית כמו כוורת, אך עובייה אטום אחד בלבד. בדרך כלל, יריעות גרפן נערמות זו על זו ויוצרות את המינרל גרפיט, הצורה המוכרת לנו של פחמן, המשמשת לכתיבה בעיפרון. בצורתו הגבישית הטהורה, גרפן מוליך אלקטרונים מהר יותר מכל חומר אחר בטמפרטורת החדר, והרבה יותר מהר מטרנזיסטורי אפקט שדה. כמו כן, נושאי המטען מאבדים מעט מאוד אנרגיה כתוצאה מפיזור או מהתנגשות עם אטומים בסריג, כך שנוצר פחות חום שיורי. מדענים הצליחו לבודד גרפן רק ב-2004 כך שהעבודה עדיין בחיתוליה, אך החוקרים משוכנעים שיצליחו ליצור טרנזיסטורים מגרפן ברוחב של 10 ננומטרים ובגובה אטום אחד בלבד. ייתכן שיהיה אפשר לחרוט מספר רב של מעגלים על יריעת גרפן אחת קטנטנה.

מחשוב אופטי: מהיר כמו אור
מכיוון שחלופות מהפכניות לשבבי הסיליקון מצויות בשלבים ראשוניים כל כך, מעגלים המתאימים לשימוש מסחרי עלולים להתעכב בעוד עשור. עם זאת, סביר להניח שחוק מור ימצה עד אז את עצמו, ולכן העבודה על צורות מחשוב אחרות לגמרי נעשית במלוא המרץ.

במחשוב האופטי, לא אלקטרונים נושאים את המידע אלא פוטונים, והם עושים זאת הרבה יותר מהר – במהירות האור. לרוע המזל, השליטה באור קשה הרבה יותר מן השליטה באלקטרונים. ההתקדמות שהושגה ביצירת מתגים אופטיים, מן הסוג שמונח לאורך כבלים אופטיים בקווי תקשורת, סייעה גם למחשוב האופטי. אחד מן הפיתוחים המתקדמים ביותר מיועד, באופן אירוני, ליצירת קישור אופטי בין מעבדים מסורתיים בשבבים מרובי ליבות. כשליבות מעבדות מידע במקביל צריך להעביר ביניהן כמות עצומה של נתונים, וחוטי החשמל המתווכים עלולים להיות לצוואר בקבוק. קישורים פוטוניים יכולים לשפר את הזרימה. חוקרים במעבדות היולט-פקרד בוחנים דגמים שעשויים להעביר כמות מידע גדולה יותר בשני סדרי גודל.

קבוצות אחרות עובדות על קישורים אופטיים, שיחליפו את תילי הנחושת האִטיים יותר, שמחברים כיום בין שבב המעבד לבין רכיבים אחרים בתוך המחשב, כגון שבבי זיכרון וכונני DVD. מהנדסים באינטל ובאוניברסיטת קליפורניה שבסנטה ברברה בנו "צינורות נתונים" אופטיים מאינדיום זרחתי ומסיליקון תוך שימוש בתהליכי ייצור רגילים של מוליכים למחצה. עם זאת, שבבי מחשוב אופטיים לגמרי ידרשו כמה פריצות דרך מהותיות.

מחשוב מולקולרי: לוגיקה אורגנית
במחשוב מולקולרי, מולקולות ולא טרנזיטורים מייצגות ביטים של 0 ו-1. כשמדובר במולקולה ביולוגית, כגון דנ"א, הקטגוריה ידועה בשם "מחשוב ביולוגי" [ראו "מחשוב ביולוגי: שבבים חיים"]. לצורך הבהירות, כשמהנדסים מדברים על מחשוב בעזרת מולקולות לא ביולוגיות, הם עשויים לכנותו "לוגיקה מולקולרית" או "מולקטרוניקה".
בטרנזיסטור קלאסי יש שלושה חלקים המאורגנים בדומה לאות Y: מקור, שער ושפך. הפעלת מתח בשער (הרגל של ה-Y) גורמת לאלקטרונים לזרום בין המקור לשפך וליצור על ידי כך 1 או 0. בתיאוריה, מולקולות מסועפות יכולות לגרום לאות לעבור באופן דומה. לפני עשר שנים, יצרו חוקרים באוניברסיטאות ייל ורייס מתגים מולקולריים שהתבססו על בנזִן כאבן בניין.

מולקולות יכולות להיות קטנטנות, כך שמעגלים שייבנו מהן יכולים להיות קטנים בהרבה ממעגלי סיליקון. עם זאת, אחד הקשיים הוא למצוא דרך לייצר מעגלים מורכבים. החוקרים מקווים שאחת התשובות תימצא בהתארגנות עצמית. באוקטובר 2009, הפך צוות מאוניברסיטת פנסילבניה אבץ וגבישי קדמיום גופרי למעגלים של סריג-על של מתכת ומוליך למחצה, אך ורק באמצעות תגובות כימיות שעודדו התארגנות עצמית.

מחשוב קוונטי: סופרפוזיציה של 0 ושל 1

רכיבי מעגלים העשויים מאטומים יחידים, אלקטרונים או אפילו פוטונים יהיו הקטנים ביותר שאפשר. בממדים כאלה, פעולות הגומלין בין הרכיבים נשלטות על ידי מכניקת הקוונטים – החוקים המסבירים את ההתנהגות האטומית. מחשבים קוונטיים עשויים להיות צפופים ומהירים במידה שלא תיאמן, אך בפועל, ייצורם וניהול האפקטים הקוונטיים שנוצרים בהם הם אתגרים אדירים.

לאטומים ולאלקטרונים יש תכונות שיכולות להתקיים במצבים שונים בו זמנית וליצור ביט קוונטי, או קיוביט. כיום נבדקות כמה גישות מחקריות לטיפול בקיוביטים. גישה אחת, המכונה ספינטרוניקה, משתמשת באלקטרונים שהמומנטים המגנטיים שלהם מסתובבים באחד משני כיוונים; חשבו על כדור שמסתחרר בכיוון אחד או בכיוון ההפוך (ומייצג על ידי כך 1 או 0). עם זאת, שני המצבים יכולים גם להתקיים יחדיו באלקטרון יחיד, תוך יצירת מצב קוונטי ייחודי שידוע בשם סופרפוזיציה של 0 ושל 1. בעזרת מצבי הסופרפוזיציה, כמות המידע ששורת אלקטרונים מסוגלת לייצג עולה בשיעור מעריכי בהשוואה לשורה של טרנזיסטורים מסיליקון, שמסוגלים לקבל מצבי ביטים רגילים בלבד. מדענים מאוניברסיטת קליפורניה שבסנטה ברברה יצרו כמה שערים לוגיים שונים באמצעות מניפולציה של אלקטרונים בחרירים שנחרטו לתוך יהלום.

בגישה אחרת, שנחקרת באוניברסיטת מרילנד ובמכון הלאומי האמריקני לתקנים ולטכנולוגיה (NIST), שורת יונים מרחפת בין לוחות טעונים, ולייזרים הופכים את הכיוון המגנטי של כל יון (כלומר, את הקיוביטים שלהם). כמו כן, יש אפשרות לזהות את הסוגים השונים של הפוטונים שכל יון פולט על פי הכיוון שהוא בוחר.

לבד מיתרון הסופרפוזיציה, אפשר גם "לשזור" רכיבים קוונטיים. מצבי מידע מקושרים על פני קיוביטים רבים ומעניקים כך דרכים רבות עוצמה לעיבוד מידע ולהעברתו ממקום למקום.

מחשוב ביולוגי: שבבים חיים

המחשוב הביולוגי מחליף את הטרנזיסטורים במבנים שמצויים, בדרך כלל, באורגניזמים חיים. מעניינות במיוחד הן מולקולות הדנ"א והרנ"א, שבעצם מאחסנות את ה"תוכנה" שמנהלת את חיי התאים שלנו. מדובר בחזון מפתה מאוד, שכן שבב בגודל ציפורן של זרת עשוי אמנם להכיל מיליארד טרנזיסטורים, אבל מעבד באותו גודל מסוגל להכיל ביליוני גדילי דנ"א. הגדילים האלה יעבדו בו זמנית חלקים שונים של משימת מחשוב ויצטרפו זה לזה כדי לייצג את הפתרון. שבב ביולוגי, לבד מזה שמספר הרכיבים שבו גדול בכמה סדרי גודל, יוכל גם לבצע עיבוד מקבילי מאוד.

המעגלים הביולוגיים הראשוניים מעבדים מידע באמצעות יצירה ושבירה של קשרים בין גדילים. כעת מפתחים החוקרים "תכניות מחשב גנטיות" שיוכלו לחיות ולהשתכפל בתוך תאים. האתגר הוא למצוא דרכים לתכנת אוספים של רכיבים ביולוגיים כך שיתנהגו בדרכים רצויות. מחשבים כאלה עשויים להגיע בסופו של דבר אל מחזור הדם שלנו, ולא אל שולחן העבודה. חוקרים במכון ויצמן למדע שברחובות יצרו מעבד פשוט מדנ"א, וכעת הם מנסים לגרום לרכיבים לעבוד בתוך תא חי ולתקשר עם הסביבה שמקיפה אותו.