Měli jsme dobu kamennou, bronzovou a železnou. S trochou nadsázky dnes žijeme v době křemíkové: čip v telefonu, procesor v počítači i servery, na kterých běží umělá inteligence, stojí na jediném prvku. Proč zrovna na křemíku? A proč ne třeba na germaniu, ze kterého byl první tranzistor? Odpověď vede přes elektronky, krystaly s nepatrnými příměsmi, jeden pokus s horkým olejem a tenkou vrstvu oxidu, kterou lze vypěstovat přímo na povrchu křemíku.
Co musí umět materiál pro počítače
Vést elektrický proud nestačí. To zvládá i měď, ze které se vyrábějí kabely. Počítač potřebuje součástku, která proud dokáže ovládat – něco jako vypínač na zdi, jenže místo prstu ho přepíná elektrický signál. Když se změní napětí na vstupu, součástka rozhodne, jestli proud propustí, nebo ne. Jejím výstupem pak lze ovládat další součástku.
Digitální obvody rozlišují dvě úrovně napětí, které představují dnes už světoznámou jedničku a nulu. Když se takové elektricky ovládané spínače správně propojí, vznikne třeba obvod, který sečte dvě čísla. Z ovládání proudu se najednou stane kalkulačka.
Odbočka: jak se sčítá jedničkami a nulami
Sčítání ve dvojkové soustavě funguje stejně jako sčítání pod sebou, které zná každý ze školy. Jen jsou k dispozici dvě číslice. Jedna a jedna dá dvojku, kterou napsat nelze, takže se zapíše nula a jednička se přenese do vedlejšího sloupce – stejně jako desítka v desítkové soustavě.
Příklad: dvojka se zapíše jako 010, trojka jako 011. Sčítá se zprava. Nula a jedna je jedna. V dalším sloupci jsou dvě jedničky, takže se píše nula a jednička se přenáší. V posledním sloupci jsou dvě nuly a přenesená jednička, výsledkem je tedy jedna. Vyjde 101. Sloupce zprava znamenají jednotky, dvojky a čtyřky: jedna čtyřka, žádná dvojka a jedna jednička, dohromady pět. Pro člověka zdlouhavé, pro počítač hračka. Přenesenou jedničku v obvodu představuje elektrický signál, který ovlivní výpočet v sousedním sloupci.
Elektronky a třicetitunový ENIAC
Takové zařízení jde postavit i z elektronek. Uvnitř elektronky se z jedné elektrody uvolňují elektrony a napětím na další elektrodě se řídí jejich tok – jestli půjdou dál, nebo ne. Elektronka tak umí zesilovat signál nebo spínat proud. Má ale zásadní nevýhodu: potřebuje žhavení, spotřebovává energii a vyrábí spoustu zbytečného tepla. A na počítač jich je potřeba opravdu hodně.
Ukázal to ENIAC, počítač představený veřejnosti v roce 1946. Postavil ho tým Johna Mauchlyho a J. Prespera Eckerta na Pensylvánské univerzitě. Měl přibližně 18 000 elektronek, zabíral celou místnost a vážil kolem 30 tun. Kapesní zařízení to opravdu nebylo a představa, že se podobný výpočetní výkon jednou vejde do telefonu nebo do prstýnku, byla v nedohlednu. Bylo potřeba přenést práci elektronky do malinké součástky, kterou není nutné žhavit a která nebude tolik hřát. I dnešní procesory a grafické karty sice vyrábějí teplo, ve srovnání s elektronkami je ho ale zanedbatelně málo.
První tranzistor byl z germania
Náhradu za elektronky hledali výzkumníci v Bellových laboratořích, kteří potřebovali spolehlivější součástky pro telefonní síť. V roce 1947 předvedli John Bardeen a Walter Brattain zařízení, ve kterém elektrický signál ovládal proud na malém kousku krystalu. Součástka dokázala zesilovat signál bez rozžhavené elektronky. Byl to první funkční tranzistor – a jeho krystal nebyl z křemíku, nýbrž z germania.
Polovodič, příměsi a PN přechod
Germanium je polovodič: jeho elektrické chování se dá výrazně změnit tím, že se do něj přidá nepatrné množství jiných prvků. U krystalu nerozhoduje jen počet elektronů, ale i to, kolik z nich se může volně pohybovat. Germanium má ve vnější slupce čtyři elektrony, které se zapojují do vazeb se sousedními atomy. Každý atom má v krystalu čtyři sousedy a elektrony, které tvoří vazby, nevedou proud.
Křemík je na tom velmi podobně. V periodické tabulce patří do stejné skupiny, má také čtyři elektrony ve vnější slupce a v krystalu vytváří podobné uspořádání. Citlivost na příměsi mají oba materiály a u křemíku si jí všimli ještě před vznikem tranzistoru. V roce 1940 zkoumal Russell Ohl v Bellových laboratořích křemíkový vzorek, který se choval podivně: když na něj dopadlo silné světlo, výrazně v něm vzrostl proud. Různé části vzorku se navíc chovaly elektricky jinak, protože obsahovaly různé příměsi, a rozhraní mezi nimi hrálo zásadní roli.
Když se v krystalu křemíku nahradí atom křemíku fosforem, přibude jeden elektron. Fosfor jich má ve vnější slupce pět, čtyři se zapojí do vazeb jako u křemíku a pátý je vázaný mnohem slaběji, snadno se uvolní a může se pohybovat. Do jinak stabilní struktury tak přibude pohyblivý nosič náboje. Opačně funguje bor, který má ve vnější slupce jen tři elektrony. V jedné ze čtyř vazeb pak elektron chybí a vznikne volné místo, takzvaná díra. Když ji obsadí sousední elektron, nechá za sebou novou díru, a ta se tak krystalem posouvá. Protože v ní chybí elektron, chová se jako kladný náboj.
Lze tak vytvořit oblast, kde proud přenášejí hlavně elektrony (typ N), a vedle ní oblast, kde ho přenášejí hlavně díry (typ P). Na jejich hranici vzniká PN přechod s vnitřním elektrickým polem. Právě ten pozoroval Russell Ohl: světlo ve vzorku vytvářelo další pohyblivé elektrony a díry, elektrické pole přechodu je oddělovalo, a proto ze vzorku šlo získat proud. Na podobném principu dnes fungují fotovoltaické články, které má leckdo na střeše.
Pro počítače je ale podstatné něco jiného: příměsmi lze v krystalu vytvořit oblasti s různým elektrickým chováním a při správném uspořádání a kontaktech z nich stavět součástky. Samotný PN přechod ještě tranzistor není, příměsi však připraví materiál, ve kterém pak elektrický signál ovládá proud podobně jako v elektronce. Při přepínání už není potřeba nic přidávat – přechod je v materiálu připravený natrvalo.
Proč vyhrál křemík: pokus s horkým olejem
Toto umí křemík i germanium. Proč tedy vyhrál křemík? Součástka, která se má spolehlivě používat, musí zvládat ještě jednu věc: změny teploty. I zbytkové teplo, které oproti elektronkám zůstalo, krystal pořád trochu zahřívá.
V roce 1954 to předvedl Gordon Teal z Texas Instruments jednoduchým pokusem. Gramofon přehrával hudbu přes zesilovač s germaniovými tranzistory. Teal sestavu ponořil do horkého oleje, a jak se zahřála, hudba utichla. Pak zapojil sestavu s křemíkovými tranzistory a pokus zopakoval. Hudba hrála dál.
Teplo totiž v polovodiči vytváří další pohyblivé elektrony a díry. Množství nosičů, které se pečlivě nastavilo příměsmi, pak začne ovlivňovat i teplota, rostou nežádoucí proudy, které mohou procházet i ve vypnutém stavu, a elektrické chování součástky se mění. Křemík potřebuje k uvolnění elektronu z vazby víc energie než germanium – má širší zakázaný pás, tedy větší energetický rozdíl mezi vázaným stavem a stavem, ve kterém elektron vede proud. Při stejné teplotě v něm proto vzniká mnohem méně nežádoucích nosičů. Křemíkové tranzistory snesly vyšší teploty a měly menší nežádoucí proudy. Pro počítač je to zásadní: o průchodu proudu má rozhodovat řídicí signál a teplo do toho má zasahovat co nejméně. I proto se dnešní počítače chladí. Křemík tak šlo použít i tam, kde germanium přestávalo spolehlivě fungovat.
Integrovaný obvod: součástky v jednom kusu materiálu
Funkční a stabilní tranzistor ale ještě neznamená počítač. Ten potřebuje obrovské množství součástek, které spolu spolupracují: výstup jedné ovládá další a všechny musí být propojené. Spínače se sice zmenšily, ale celý obvod bylo pořád nutné sestavit, každou součástku umístit a připojit. S jejich počtem rostlo i množství spojů, práce a míst, kde se mohlo něco pokazit.
Řešením bylo vyrobit součástky rovnou jako části jednoho kusu polovodiče. Různé oblasti téhož materiálu mohou plnit funkci tranzistoru, odporu (protože vedou proud hůř) nebo kondenzátoru (protože náboj chvíli podrží). Takovému celku se říká integrovaný obvod. V roce 1958 ho v Texas Instruments předvedl Jack Kilby – a byl opět z germania. Křemík měl provozní výhodu, ale samotnou možnost vyrobit víc součástek v jednom krystalu nabízely oba materiály.
Kilbyho první obvod vytvářel pravidelný elektrický signál, šlo o oscilátor. Krátce nato předvedl i klopný obvod, který uchovával jeden ze dvou stavů, nulu nebo jedničku, a ukázal tak, že do jednoho kusu materiálu se vejde i funkce potřebná pro digitální paměť. Z jeho prototypu ovšem trčely dráty. Součástky už byly v jednom kusu, propojení mezi nimi ale pořád obstarávaly drátové spoje a s rostoucím počtem součástek přibývalo práce i s nimi.
Oxid křemičitý: izolant, maska i ochrana
Propojení bylo potřeba vyrábět přímo v obvodu. Kovové cestičky však musí být od křemíku oddělené všude, kde nemají vytvořit kontakt, jinak by propojily i to, co propojené být nemá, a vznikl by zkrat. Tady křemík nabízí další užitečnou vlastnost: na jeho povrchu lze vypěstovat tenkou vrstvu oxidu křemičitého, která dobře drží a je elektrickým izolantem. Nad polovodičem tak vznikne vrstva, po které se dají vést kovové spoje. Elegantní řešení, které přibližuje okamžik, kdy se třicet tun ENIACu vejde do kapsy.
Oxid pomáhá už při výrobě samotných součástek. Jeho využití rozpracovali Carl Frosch a Lincoln Derick v Bellových laboratořích v roce 1955, ještě před Kilbyho obvodem. Za vhodných podmínek oxid brání pronikání vybraných příměsí do křemíku. Když se v této ochranné vrstvě otevře malé okénko, dostane se příměs do krystalu přesně tam, kde má být. Jako by se v ruce místo nože najednou objevil skalpel. Oxid tak funguje jako maska, která určuje, kde vzniknou oblasti s požadovaným chováním. Pomocí světlocitlivé vrstvy a leptání, tedy chemického odstraňování materiálu, lze okénka rozmístit přesně podle vzoru.
Vrstvu přitom není nutné odstraňovat. Jean Hoerni v roce 1959 předvedl tranzistor, u kterého oxid zůstal nad citlivými přechody a chránil je před nečistotami, jež by jinak měnily elektrické chování součástky. Jeho postup umožnil vyrábět součástky z jediné křemíkové destičky. Robert Noyce pak tutéž izolační vrstvu využil k propojení obvodu: přes oxid se vede kovová cestička a jen tam, kde je potřeba kontakt se součástkou, se otevře další okénko. Kov se křemíku dotkne jen na jediném místě a nikde jinde. Spoje vzniknou nanesením tenké kovové vrstvy a odstraněním částí, které nejsou potřeba.
Díky oxidu, který křemík nabízí jaksi v jednom balení, se z něj stal univerzální pomocník. Součástky i spoje vznikají výrobními postupy přímo na jedné společné destičce. Jedna vrstva pomáhá vymezit oblasti součástek, chrání jejich citlivé povrchy a elektricky odděluje kovové spoje od polovodiče. Výrobní i prostorová úspora je neuvěřitelná.
Jeden vzor, miliony čipů
Tyto postupy umožnily opakovat stejné vzory na nespočtu čipů. Každý další tranzistor v obvodu už nemusel být samostatnou součástkou, kterou někdo vezme a někam připojí. Tím se otevřela cesta k masové výrobě. Tentýž vzor lze na křemíkové destičce zopakovat milionkrát vedle sebe, každá kopie má stejné uspořádání součástek i spojů a další výrobní kroky zpracují všechny kopie najednou.
Práce, kterou bylo dřív nutné dělat zvlášť pro každou součástku, se proměnila v postup, kterým vzniká celá řada obvodů. Hotová destička se rozdělí na jednotlivé čipy a kusy, které projdou kontrolou, putují do přístrojů. Obvod se navrhne jednou, připraví se k němu výrobní vzory a podle nich se pak vyrábějí miliony kusů.
Stejný princip v práci s umělou inteligencí
Stejný princip – najít vzor, připravit postup a pak ho opakovaně používat, aniž by se pokaždé začínalo od nuly – má smysl i při práci s umělou inteligencí. Dnešní velké systémy umělé inteligence svými nároky na provoz připomínají elektronky: jsou to obrovští žrouti výpočetního výkonu a energie. Nasadit takový aparát na každý drobný úkol se může pořádně prodražit.
Cestou je hledání vzorů v procesech. Opakovanou práci stačí rozložit na konkrétní kroky a zjistit, které z nich zvládne obyčejný program podle jasných pravidel. Umělá inteligence pak přijde na řadu jen tam, kde je opravdu potřeba – pochopit text nebo rozhodnout, kudy má práce pokračovat. Tak se staví agentní pracovní postupy: umělá inteligence neřeší celý složitý proces najednou, dostane menší, jasně vymezený úkol s určenou podobou výsledku a s kontrolami. Na takový úkol často stačí mnohem menší model, klidně lokální, který běží přímo u uživatele a je levný. Velký cloudový model pak slouží jako továrna, která úzce specializované procesy pomáhá navrhovat a stavět, zatímco běžný provoz obslouží obyčejný program spolu s menšími modely. Kdo umí vzory dobře hledat, skládat a ověřovat, výrazně ušetří a získá systém, na který se dá spolehnout.
Zmenšování a první mikroprocesor
Dalším krokem v životě křemíku bylo už jen vzory zmenšovat. S dokonalejším promítáním vzorů a dalšími výrobními postupy šlo vymezit stále menší oblasti a vytvořit jemnější propojení. Tranzistor zabíral čím dál menší plochu a na stejný kus materiálu se jich vešlo mnohem víc. Obvody tak mohly být menší, nebo se do stejně velkého čipu vešlo víc funkcí, víc spínačů, další výpočty a víc uložených informací – a to všechno stále ve velkosériové výrobě.
K obvodu, který umí počítat, přibyly další výpočetní funkce, malé vnitřní úložiště pro právě zpracovávané hodnoty a řídicí část, která určuje, co se má stát: přečte instrukci z paměti, nechá provést požadovanou operaci a pokračuje další instrukcí. Postup práce se tak dá zadat programem. Když se všechny tyto části dostanou na jediný čip, vznikne mikroprocesor.
V roce 1971 uvedl Intel procesor 4004, který vznikl na zakázku japonského výrobce kalkulaček Busicom. Obsahoval přibližně 2 300 tranzistorů. Celý počítač to nebyl, paměť pro program a další funkce zajišťovaly externí čipy. Samotné výpočty a jejich řízení už byly pohromadě na jediném kousku křemíku. A stejný procesor mohl změnou programu dostat úplně jinou práci. Struktury na tehdejších čipech se měřily v mikrometrech; během dalších desetiletí se výroba dostala až k nanometrovým rozměrům a k čipům s miliardami tranzistorů.
Od písku k čipu
Všechno začíná u něčeho tak obyčejného, jako je písek. Obsahuje křemen, ve kterém je křemík vázaný s kyslíkem jako oxid křemičitý. Nejdřív se z něj chemicky získá křemík, ten se důkladně vyčistí, roztaví a vypěstuje se z něj jeden velký souvislý krystal. Krystal se rozřeže na velmi tenké destičky a na nich vzniknou všechny popsané oblasti a spoje: světlo přenese připravené vzory a další výrobní kroky z nich udělají skutečné součástky.
Ovládat elektrický proud umějí i jiné polovodiče. U křemíku se ale potkala tepelná odolnost, ve které předčí germanium, s oxidem, který chrání součástky a pomáhá je přesně vymezovat a propojovat. Díky této kombinaci bylo možné vyrábět počítačové čipy v obrovském měřítku, opakovat stejné vzory pořád dokola, zmenšovat je a dostávat na jednu destičku stále víc funkcí.
Závěr
Surovina, po které šlapeme, se stala základem moderní civilizace. Z materiálu, který v písku najdeme, vznikly obvody, na kterých dnes běží umělá inteligence a stroje, se kterými si lze povídat. Staré vědeckofantastické romány si rády představovaly život založený na něčem jiném než na uhlíku a křemík, uhlíku velmi podobný, byl oblíbeným kandidátem. Ve skutečném příběhu ale křemík není nosičem mimozemské inteligence, kterou jednou někde potkáme. Je nosičem umělé inteligence, kterou si vytváříme sami.
