Atomově přesný proces výroby elektroniky předznamenává revoluci podobnou vynálezu knihtisku

Nároky na výpočetní výkon, a tedy i elektroniku výkon obstarávající, neustále rostou. Kvůli tomu se elektronické obvody miniaturizují, aby se na stejně velký čip “vešlo více výkonu”. Současná technologie výrobních procesů elektroniky se ale přibližuje fyzikálním limitům. Problematický navíc není jen výkon, ale i spotřeba. Některé odhady předpovídají, že podle současných trendů spotřeby energie by informační a komunikační technologie v roce 2025 mohly spotřebovávat až 20 % světové produkce energie, a produkovat přibližně 5 % globálních emisí oxidu uhličitého. To přesně si už před dlouhými lety uvědomil Robert Wolkow, profesor na University of Alabama a National Institute of Nanotechnology. A nedávno společně se svým týmem přišel se způsobem, jak tento problém vyřešit. Tímto řešením je automatizovaný výrobní proces na úrovní atomů, což by měl být bezprecedentní pokrok umožňující výrobu nových druhů rychlejší, menší, a environmentálně šetrnější elektroniky, zároveň s radikálně menší spotřebou energie i materiálu.

Objev tohoto výrobního procesu je kulminací dlouholetého snažení výzkumného týmu kolem Roberta Wolkowa. V roce 2006 tento tým vytvořil ten nejostřejší objekt na světě – nanoskopickou wolframovou jehlu, jejíž hrot byl široký pouhý jeden atom – což následně umožnilo manipulovat s materiálem na úrovni atomů. O tři roky později s pomocí svého předešlého objevu vytvořili tu nejmenší kvantovou tečku na světě. Kvantové tečky jsou zjednodušeně jednotlivé atomy křemíku, které dokáží kontrolovat individuální elektrony, tudíž umožňují výrobu energeticky “ultra-nenáročných” obvodů. Minulý rok pak vyzkoumali, jak opravit nedokonalosti “tisku” na atomové úrovni, jež znemožňovaly fungování “super-malých” obvodů z kvantových teček.

Nejmenší jehla na světě, zobrazená skrz iontový autoemisní mikroskop (kolorizováno).
Viditelné jsou jednotlivé atomy, uprostřed je hrot jehly o velikosti jednoho atomu.
Rozmazané šmouhy jsou atomy, které se pohnuly během jedné sekundy snímání.

Dalším logickým krokem byla automatizace celého procesu. Z počátku nebylo jisté, jestli něco takového je vůbec možné. Nakonec se jim to podařilo pomocí uměle inteligentního systému založeného na neuronových sítích. Úkolem tohoto systému je poznat, kdy už se jehla široká jeden atom otupuje a přestává být přesná. Jakmile takovou chvíli systém rozpozná, opět jehlu “nabrousí” zpět do původního stavu. Díky tomuto procesu se nyní otevírá možnost výroby ve velkém.

“Doteď jsme tiskli atomy efektivně asi tak, jak efektivně středověcí mniši psali knihy,” vysvětluje Wolkow. “Po dlouhou dobu jsme měli ekvivalent psacího pera, kterým jsme museli psát manuálně. Tudíž jsme nemohli nic masově vyrábět a ani pořádně komercializovat. Tento objev je pro nás, středověké mnichy, něco jako příchod knihtisku.”

Podle Wolkowa tento pokrok přichází jako na zavolanou, jelikož ve světě existuje urgentní potřeba pro elektroniku na nové bázi. Tou bází by mělo být právě masové zpracovávání na úrovni atomů, které by nyní mělo být možné právě díky objevům Wolkowa a jeho týmu. “Zpracování na této ultimátně miniaturní úrovni nám nejenže pomůže dělat současné věci lépe, ale i umožní vytvářet úplně nové funkce, které s konvenčními technologiemi jednoduše nebyly možné,” uzavírá Wolkow. Podle dostupných informací se tomuto týmu již dokonce podařilo vyrobit první fungující proof-of-concept obvod (publikováno v Nature). Zároveň byl založen spin-off startup, Quantum Silicon, který ve vývoji této technologie dál pokračuje. Čipy na této bázi by měly mít přibližně 100x větší výpočetní výkon s energetickou spotřebou současných čipů, a nebo výkon současných čipů se 100x menší spotřebou energie.