Polska "Doliną Grafenową"?

Zbawienie dla elektroniki

Zanim zagłębimy się w tajniki działania i budowy procesora oraz właściwości fizycznych krzemu i grafenu, przedstawię wam kilka danych:

Piszę ten artykuł z wydajnego komputera, bazującego na krzemowym procesorze o bazowym taktowaniu 2,9 GHz. Grafenowe procesory będą już za kilka lat bez problemu osiągały 1 THz czyli 1000 GHz - będą ponad 300 razy szybsze niż dzisiejsze konstrukcje! (dla przykładu: różnica w wydajności najdroższych procesorów firmy Intel z 2011 roku a ich odpowiednikami z roku 2012 wynosi zaledwie 5 do 10%). Czy słynne Prawo Moore'a, obowiązujące niemal pół wieku, nagle przestanie obowiązywać?

Jednakże większy wpływ na nasze życie będzie miała "rewolucja energetyczna". Mam smartfona, który może robić praktycznie wszystko to, co PC... Tylko co z tego, jeśli często w pełni naładowany akumulator (co trwa nawet 4 godziny) nie wystarcza mi na 7 szkolnych lekcji. Bateria, wykorzystująca niezwykłe właściwości grafenu, będzie działać 10 razy dłużej, a czas ładowania będzie wynosił 15 sekund! W jaki sposób działa taka bateria?

Dzięki temu "super-materiałowi" rzeczywistością staną się także giętkie, półprzezroczyste telefony o prawie zerowej grubości, które po użyciu zwiniemy i schowamy do kieszeni. Dzięki jakim właściwościom grafenu będzie to możliwe?

Powyższe dane robią wrażenie, tym bardziej że dotyczą one najbliższej przyszłości. Najlepsze jest jednak to, że w badaniach nad grafenem przodują Polacy! Do roku 2010, grafen był najdroższym materiałem na Ziemii. 1 cm3 kosztował 100 000 000 \((ponad 300 milionów zł). Jednakże polscy badacze z warszawskiego Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych (ITME) opracowali swój własny sposób wytwarzania tego materiału. Przy wykorzystaniu polskiego procesu technologicznego cena za 1cm3 grafenu wynosi niecałe 100\), czyli milion razy mniej niż ten sam materiał, uzyskany przez zagranicznych naukowców z całego świata! Co więcej Polacy opatentowali tą metodę, co pozwoli nam (na jakiś czas) na wyłączność wytwarzania grafenu w tej technologii. Biorąc pod uwagę, że mikroprocesory znajdują zastosowanie w prawie każdej dziedzinie naszego życia, nietrudno sobie wyobrazić ile byśmy na tym zarobili. Polska początkiem ogólnoświatowej rewolucji, nowej ery w dziedzinie elektroniki i komputerów? Gdyby tylko polski rząd chciał finansować te badania...

Ograniczenia krzemu vs Prawo Moore'a

Procesor jest najważniejszym elementem zarówno komputerów jak i smartfonów. Nie będę dokładnie tłumaczył zasady jego działania, bo będzie identyczna, niezależnie od materiału. Ważna jest jego budowa. Składa się on z milionów tranzystorów. Tranzystor został wynaleziony w 1947 roku i rozpoczął erę cyfrową. W bardzo dużym uproszczeniu, jest to malutki wyłącznik, umożliwiający przetwarzanie informacji w komputerze. Jego działanie nie różni się zasadniczo od wyłącznika światła. Tranzystor włącza lub wyłącza przepływ prądu. Pozycja "włączona" jest oznaczana cyfrą 1, a "wyłączona" cyfrą 0. Miliony takich tranzystorów generują ciągi jedynek i zer, co procesor w odpowiedni sposób odczytuje i interpretuje. Szybkość procesora zależy więc w dużej mierze od ilości "zamontowanych" tranzystorów. W pierwszym mikroprocesorze - Intel 4004, wyprodukowanym w 1971 roku było ich 2300, w chipie i486 z 1989 roku - 1 200 000, a w procesorze Pentium z 2000 roku - 42 miliony. W 2011 roku Intel zaprezentował układ, wykorzystujący 2 600 000 000 tranzystorów. Jak widać liczba tranzystorów zwiększa sie bardzo szybko. Dokładnie proces ten opisuje Prawo Moore'a, które mówi, że liczba tranzystorów (w konsekwencji wydajność mikroprocesora) rośnie wykładniczo (podwaja się w równych odcinkach czasu). Gordon Moore był jednym z założycieli firmy Intel i już w 1965 roku zaobserwował podwajanie się liczby tranzystorów co ok. 12 miesięcy, formułując wspomniane prawo. Okres ten ulega zmianom - przez wiele lat było to 24 miesiące, a w ostatnich latach mówi się o 18 miesiącach. Liczba tych malutkich włączników powiększa się, co pociąga za sobą wzrost wydajności, powodując, że Prawo Moore'a obowiązuje do dnia dzisiejszego. W czym więc tkwi problem?

Głównym powodem, dzięki któremu wzrost wykładniczy jest możliwy, jest produkcja coraz mniejszych tranzystorów. Dzięki temu na tej samej powierzchni mikroprocesora może zmieścić się ich więcej. Zarówno pierwsze procesory, zawierające ich 2300, jak i najdroższe współczesne konstrukcje z 2 miliardami tranzystorów mają praktycznie takie same wymiary (ta sama skala wielkości). Właściwość ta nosi nazwę procesu technologicznego. Jego oznaczenie to po prostu wielkość pojedynczego tranzystora. Im ta wartość jest mniejsza, tym więcej micro wyłączników zmieści się w mikroprocesorze. Im mniejszy jest proces technologiczny, tym procesor jest bardziej energooszczędny, a co za tym idzie, tym mniej ciepła wydziela. Pierwsze procesory były wykonane w 10000 nm procesie technologicznym. Oznacza to, że pojedynczy tranzystor miał rozmiar 0,01mm.

W latach dziewięćdziesiątych był to 500 nm proces technologiczny. W 2008 tranzystor miał 45 nm, w 2010 - 32nm, a w 2012 - 22nm. Niestety, rozmiary te nie mogą zmniejszać się w nieskończoność - naturalną granicą jest wielkość pojedynczego atomu - tranzystor nie może być od niego mniejszy. Intel pod koniec tego roku rozpocznie produkcję procesorów w 14 nm procesie technologicznym, co wg naukowców będzie granicą miniaturyzacji - ścieżki w takim tranzystorze w niektórych miejscach miałyby grubość jednego atomu. Optymiści przesuwają tą granicę do 7 nm, sądząc, że poprzez drobne zmiany w konstrukcji tranzystora, da się odsunąć ten problem. Nie zmienia to faktu, że z krzemu nie da się "wycisnąć" dużo więcej, a właściwie dużo mniej. Jednakże co nowego wniesie grafen? Przecież dalej będzie nas ograniczała wielkość pojedynczego atomu.

Z naukowego punktu widzenia...

Grafen, grafit, diament, fullereny to rodzaje węgla, różniące się między sobą rozmieszczeniem atomów w sieci krystalicznej. W każdej z powyższych odmian, atomy węgla są ze sobą inaczej połączone. Odmiany takie nazywamy alotropowymi. Dzięki temu, każdy z wymienionych materiałów charakteryzuje się jedynymi w swoim rodzaju właściwościami fizycznymi i chemicznymi.

Grafen jest bardzo rzadką, praktycznie nie występującą naturalnie w przyrodzie, odmianą węgla. Jest on zbudowany z pojedynczej warstwy atomów węgla, połączonych w pierścienie sześcioczłonowe. Takie ułożenie atomów tego pierwiastka powoduje, że jest on określany jako struktura dwuwymiarowa. W praktyce struktura tej odmiany alotropowej przypomina plaster miodu. Co daje nam takie ułożenie?

• Grafen jest ponad 100 razy mocniejszy od stali o tej samej grubości, ale równocześnie na tyle elastyczny, że można go rozciągnąć o 25 % pierwotnej wielkości.

• Jest bardzo dobrym przewodnikiem ciepła. 30 - krotnie lepszym od krzemu i 10 - krotnie od srebra.

• Ma bardzo małą rezystencję, czyli opór elektryczny.

• Ruchliwość elektronów znajdujących się na grafenie jest ponad 130 razy większa niż będących na krzemie.

• Jest praktycznie przezroczysty (przepuszcza 98% światła).

• Gigantyczna prędkość przepływu elektronów przez ośrodek grafenowy (wynosi 1/300 prędkości światła - umożliwi to badanie efektów relatywistycznych dla elektronu poruszającym się w przewodniku, co w pewnym stopniu zastąpi współcześnie stosowane akceleratory cząsteczek).

• Grafenowa membrana (utleniona) nie przepuszcza żadnych gazów, a przepuszcza wodę!

Znamy już właściwości tego wyjątkowego materiału, ale wróćmy do pytania postawionego w poprzednim akapicie - przecież nadal nie możemy wytworzyć tranzystora mniejszego od atomu. Szybkość procesora to nie tylko ilość tranzystorów ale także częstotliwość taktowania rdzenia. Potocznie rzecz ujmując jest to ilość operacji wykonanych przez procesor w ciągu sekundy. Parametr ten mierzymy oczywiście w GHz (1 GHz to 1 miliard podstawowych operacji w ciągu sekundy). Pierwsze procesory były taktowane zegarem 740 kHz (mniej niż 1/1000 GHz). Współcześnie wartości te przyjmują wartości 2-3 GHz. Od kilku lat parametr ten nie zmienia się prawie w ogóle. Pojawienie się w 2005 roku procesorów wielordzeniowych (w 2007 4-rdzeniowych) nie poprawia wcale sytuacji, gdyż, aby wykorzystać potencjał wielu rdzeni, przetwarzanie wielowątkowe (Hyper Threading) potrzebne są odpowiednie instrukcje, które obsługuje tylko pewna część aplikacji. Grafen to zmieni. Za kilkanaście lat będziemy się zastanawiać czy wybrać droższy procesor - 3000 GHz czy tańszą alternatywę - 2000 GHz. A wszystko to dzięki wyżej wymienionym właściwościom - minimalnemu oporowi elktrycznemu oraz niebywałej ruchliwości i gigantycznej prędkości przepływu elektronów. Cechy te powodują, że tranzystory na bazie grafenu są wielokrotnie wydajniejsze i efektywniejsze od krzemowych odpowiedników. Poza większą mocą obliczniową, wyróżnią się bardzo niską energochłonnością - do zmiany stanu tranzystora grafenowego (z 0 na 1 lub na odwrót) wystarczy ładunek elementarny - 1 elektron! Hmm, jak na razie same zalety... Problemem mogłaby być temperatura. Obecna generacja procesorów wydziela mnóstwo energii w postaci ciepła. Mój procesor podczas renderowania wideo na YouTube-a osiąga 85 stopni - a to wszystko przy wiatraku obracającym się 3000 razy na minutę i słyszalnym z drugiego końca mieszkania. Jest to kolejny dowód na to, że osiągamy granice możliwości wysłużonego już krzemu. Nie wspominając już o overlockerach, czyli osobach zwiększających bazową częstotliwość taktowania do nawet 7-8 GHz. Wtedy nawet zmiana powietrza na system chłodzenia wodnego nie pomaga - niezbędne jest "polewanie" procesora ciekłym azotem, lub chłodzenie freonem (na zasadzie działania lodówki). Więc co się musi dziać przy 1000 GHz? Otóż nic! Jedną z właściwości grafenu jest wręcz genialne przewodnictwo ciepła, a to przekłada się bezpośrednio na szybkość jego odprowadzania na zewnątrz procesora.

Podsumowując, otrzymujemy kilkusetkrotnie większą wydajność, niższe zużycie prądu i lepszą kulturę pracy (niskie temperatury). A koszt produkcji będzie... niższy niż w przypadku współczesnych krzemowych procesorów!!! Naukowcy z IBM stworzyli kilka lat temu prototypowy procesor grafenowy o częstotliwości taktowania 300 GHz. Taką szybkość otrzymujemy przy wykorzystaniu procesu technologicznego - uwaga!- 120 nm. A im większe tranzystory tym tańsza i szybsza jest ich produkcja. Z tego wynika, że grafen starczy nam na baaardzo długo - badacze obliczyli że 1000 GHz będzie osiągalne przy procesie technologicznym 50 nm. A jako, że tranzystor grafenowy różni się trochę budową od krzemowego, jego przewidywana granica to nie 7 nm jak w przypadku krzemu, tylko 0,42 nm! Jeśli 50 nm to 1000GHz to z proporcji możemy obliczyć że 0,42 nm tooo...

Tylko po co to wszystko?

Oczywistym jest że nikt z nas nie będzie w stanie przez najbliższe kilkanaście lat wykorzystać mocy zawartej w kilkuset gigahercowym układzie. Dla zwykłych zjadaczy chleba grafenowa rewolucja będzie polegała na czymś innym. Komputer który teraz zajmuje połowę miejsca pod biurkiem będzie można zamontować na przykład na soczewce na gałce ocznej. Jest to jednak trochę dalsza przyszłość. Jednakże taki wzrost wydajności przyczyni się do rozpowszechnienia futurystycznych wizji o wszędobylskich chipach elektronicznych i procesorach - na przykład nasz zegarek za kilka lat będzie miał podobny procesor co dzisiaj najdroższe komputery stacjonarne - dzięki swoim właściwościom materiałowym, procesory takie nie będą wymagały czynnego chłodzenia i będą bardzo energooszczędne.

Osobiście uważam, że świat powinien jak najszybciej iść na przód i inwestować jak największe środki w rozwijanie nowych technologii (przemysłu Hi-Tech) - niestety ten model myślenia nie jest zbyt popularny w Polsce. A szkoda bo Polska mogłaby stać się współczesną "Doliną Grafenową" tak jak od lat 50. XX wieku kolebką nowych technologii jest Silicon Valley (Dolina Krzemowa) znajdująca się w północnej części Kalifornii.

No i cóż wyszło na to, że opisałem tylko jedno z zastosowań grafenu - mikroprocesory komputerowe. Miałem jeszcze napisać o "rewolucji energetycznej", która na zawsze zmieni nasze nawyki, w dużym stopniu uniezależniając nas od gniazdka elektrycznego. A także o komórkach ze zwijanymi ekranami o praktycznie zerowej grubości. Ale to zostawię sobie na kolejny artykuł.