CPU はどこまで小型化できるのでしょうか?

20 世紀、発明家たちは、人々が定期的に依存するデバイスを作成しました。おそらく、最も重要な発明の 1 つはトランジスタです。 1947 年にベル研究所で働くエンジニアによって開発されたこのトランジスタの本来の目的は、電話回線を通じて音声を増幅することでした。トランジスタは古い技術である真空管に取って代わりました。真空管は信頼性が低く、かさばり、また大量の熱を発生しました。

最初のトランジスタは、高さ 0.5 インチ (1.27 センチメートル) の点接触型トランジスタでした。このトランジスタはそれほど強力ではありませんでしたが、物理学者はこのデバイスの可能性を認識していました。やがて、物理学者や技術者はさまざまな電子機器にトランジスタを組み込み始めました。そして時間が経つにつれて、彼らはトランジスタをより小さく、より効率的にする方法も学びました。

1958 年、エンジニアはシリコン結晶に 2 つのトランジスタを取り付け、世界初の集積回路を作成しました 。次に、集積回路はマイクロプロセッサの開発への道を開きました。コンピューターを人間にたとえると、マイクロプロセッサーは脳に相当します。計算を行ってデータを処理します。

1960 年代までに、コンピューター科学者 (インテルの共同創設者) ゴードン ムーアは興味深い観察をしました。彼は、エンジニアが 12 か月ごとに 1 平方インチのシリコン片上のトランジスタの数を 2 倍にできることに気づきました。時計仕掛けのように、エンジニアはトランジスタのサイズを縮小する方法を見つけていました。パソコン、スマートフォン、 mp3プレーヤーなどの電子機器は、この小さなトランジスタのおかげで作られています。トランジスタがなければ、私たちは依然として真空管と機械式スイッチを使用して計算を行っていたでしょう。

ムーア氏の観察以来、縮小傾向は続いている。しかし、ムーア氏が観察したペースには追いついていない。最近では、トランジスタの数は 24 か月ごとに 2 倍になります。しかし、そうすると興味深い疑問が生じます。トランジスタ、ひいては CPU はどこまで小さくできるのでしょうか? 1947 年、単一のトランジスタの高さは 100 分の 1 メートル強でした。 2010 年代までに、インテルは幅わずか 45 ナノメートルのトランジスタを備えたマイクロプロセッサを製造しました。ナノメートルは10億分の1メートルです！

Intel および他のマイクロプロセッサ メーカーは、すでに次世代チップの開発に取り組んでいます。これらには、幅わずか 32 ナノメートルのトランジスタが使用されます。しかし、物理学者や技術者の中には、トランジスタのサイズに関して、根本的な物理的限界にぶつかっているのではないかと考える人もいます。

トランジスタの構造

トランジスタの物理的な制限に入る前に、トランジスタが何で構成され、実際に何をするのかを知ることが役立ちます。基本的に、トランジスタは特殊な種類の物質で作られたスイッチです。物質を分類する方法の 1 つは、物質がどの程度電気を通すことができるかを調べることです。これにより、物質は導体、絶縁体、半導体の 3 つのカテゴリに分類されます。導体とは、電子のための自由空間を持つ原子で作られたあらゆる種類の材料です。電流は導電性材料を通過できます。金属は良導体である傾向があります。絶縁体は、利用可能な電子空間を持たない原子で構成される物質です。その結果、これらの材料には電気が流れなくなります。セラミックやガラスは絶縁体の良い例です。

半導体は少し異なります。それらは、電子が入るスペースはあるものの、金属のように電気を通すには十分ではない原子を含む物質で構成されています。シリコンとはそういう素材です。状況によっては、シリコンが導体として機能することがあります。他の環境では絶縁体として機能します。これらの状況を微調整することで、電子の流れを制御することが可能です。このシンプルなコンセプトが、世界で最も先進的な電子機器の基礎となっています。

エンジニアたちは、シリコンにドーピング、つまり特定の種類の材料を導入することで、その導電性を制御できることを発見しました。彼らは基板と呼ばれるベースから開始し、それに負に帯電した材料または正に帯電した材料をドープします。負に帯電した材料には過剰な電子があり、正に帯電した材料には過剰な正孔（電子が収まる場所）が存在します。この例では、正に帯電した基板を持つn 型トランジスタを考えます。

この基盤の上に、ソース、ドレイン、ゲートの 3 つの端子があります。ゲートはソースとドレインの間にあります。これは、電圧がシリコンに通過することはできますが、そこから外へ戻ることはできないドアとして機能します。ゲートには酸化層と呼ばれる薄い絶縁層があり、電子が端子を通過して戻るのを防ぎます。この例では、絶縁体はゲートと正に帯電した基板の間にあります。

この例のソースとドレインは、負に帯電した端子です。ゲートに正の電圧を印加すると、正に帯電した基板内の少数の自由電子がゲートの酸化層に引き寄せられます。これにより、ソース端子とドレイン端子の間に電子チャネルが形成されます。次にドレインに正の電圧を印加すると、電子はソースから電子チャネルを通ってドレインに流れます。ゲートから電圧を取り除くと、基板内の電子はゲートに引き寄せられなくなり、チャネルが破壊されます。つまり、ゲートに電荷が蓄積されると、トランジスタが「オン」に切り替わります。電圧がなくなると、トランジスタは「オフ」になります。

電子機器は、この切り替えをビットとバイトの形式の情報として解釈します。これが、コンピューターやその他の電子デバイスがデータを処理する方法です。しかし、エレクトロニクスは電子の動きに依存して情報を処理するため、特別な物理法則の影響を受けます。次のセクションで詳しく見ていきます。

ナノスケールのトランジスタ

毎年のようにジャーナリストが、トランジスタはこれまでにないほど小さくなり、ムーアの法則はもう存在しないという記事を発表しているようです。その後、エンジニアはさらに小さなトランジスタを作成する革新的な方法を見つけ、ジャーナリストの間違いを証明します。多くの作家がムーアの法則の終焉を予測することを躊躇する段階に達しています。

しかし、いつか従来のトランジスタの小型化の物理的限界に達するのは事実です。それは、ナノスケールに達すると、量子力学の奇妙な世界を扱うことになるからです。この世界では、物質とエネルギーは直感に反しているように見えます。量子物理学は古典的な物理学とは大きく異なります。その動作に影響を与えずに量子スケールで何かを観察することさえできません。

量子効果の 1 つは電子トンネリングで、これはテレポーテーションに少し似ています。材料が非常に薄い場合、つまり 1 ナノメートル (原子の厚さ約 10 個) の厚さである場合、電子は、まるでそこに存在しないかのように、材料をトンネルで通過することができます。電子は実際には物質に穴を開けません。代わりに、電子は障壁の一方の側から消え、もう一方の側に再び現れます。ゲートは電子の流れを制御するものであるため、これは問題です。いかなる状況下でも電子がゲートを通過できる場合、その流れを制御する方法はありません。リーキーなトランジスタでは電子の流れを制御できないため、プロセッサは非効率になるか、まったく機能しなくなる可能性があります。

インテルのような企業が幅わずか 32 ナノメートルのトランジスタに取り組んでいると、酸化物層が薄すぎて従来のトランジスタを使用して電子のゲートとして機能できなくなる日もそう長くはかからないでしょう。エンジニアはこれまでにもトランジスタの縮小競争でいくつかの障害にぶつかりましたが、常に問題を回避し、ムーアの法則に従う何らかの方法を見つけてきました。しかし、私たちが基本的な物理法則に直面すれば、その時代は終わるかもしれません。

技術者が、たとえ 1 ナノメートルの厚さでも効果的な絶縁体を作成する方法を発見する可能性があります。しかし、たとえそれができたとしても、今日私たちが知っているトランジスタではそれ以上のことはできません。結局のところ、ナノスケールを超えたものは原子スケールであり、原子数個のサイズしかない材料を扱うことになります。

これはトランジスタがなくなるという意味ではありません。しかしそれは、マイクロプロセッサ開発の進歩が鈍化し、横ばいになることを意味するかもしれない。処理能力の向上は、今後も指数関数的に向上するとは限りません。しかし、それでも企業はマイクロプロセッサの効率とパフォーマンスを向上させる方法を見つけるだろう。

マイクロプロセッサメーカーがトランジスタの代替品を見つける可能性もある。そして、ナノスケールの量子効果を活用する方法、つまりナノレモンをナノレモネードに効果的に変える方法をすでに検討している企業もいる。

マイクロプロセッサメーカーがムーアの法則を維持できるのはあと数年だけのようだ。しかし、数十年前の予測を振り返ってみると、ジャーナリストが同じ主張をしているのがわかります。おそらくエンジニアは、これらの予測を、一見克服不可能な障害を回避する方法を見つけるための個人的な挑戦であると考えています。

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