The self-assembling computer chips of the future | Karl Skjonnemand

Fordító: Zsuzsa Viola Lektor: Ádám Kósa

Computers used to be as big as a room.

A számítógépek hajdanán szobanagyságúak voltak.

But now they fit in your pocket,

Most ott lehetnek a zsebünkben,

on your wrist

a csuklónkon,

and can even be implanted inside of your body.

még a testünkbe is beültethetők.

How cool is that?

Ugye milyen remek?

And this has been enabled by the miniaturization of transistors,

Ez a tranzisztorok miniatürizálása révén vált lehetségessé,

which are the tiny switches in the circuits

melyek apró kapcsolók

at the heart of our computers.

számítógépeink áramköreiben.

And it's been achieved through decades of development

Évtizedeken át tartó fejlődés során

and breakthroughs in science and engineering

tudományos áttörésekkel, a mérnöki munka bravúrjaival

and of billions of dollars of investment.

és dollármilliárdok befektetésével értük el mindezt.

But it's given us vast amounts of computing,

Ez nagyfokú számítógép-használatot

és nagyméretű memóriát hozott el nekünk,

huge amounts of memory

and the digital revolution that we all experience and enjoy today.

valamint a napjainkban tapasztalható és élvezhető digitális forradalmat.

But the bad news is,

De a rossz hír az,

we're about to hit a digital roadblock,

hogy digitális útzárhoz érkeztünk,

as the rate of miniaturization of transistors is slowing down.

mivel a miniatürizálás sebessége lassul.

And this is happening at exactly the same time

Ez éppen akkor történik,

amikor a szoftverújítás könyörtelenül folytatódik

as our innovation in software is continuing relentlessly

with artificial intelligence and big data.

mesterséges intelligenciával és tömérdek adattal,

And our devices regularly perform facial recognition or augment our reality

amikor eszközeink többnyire arcfelismerést és valóság-kiterjesztést végeznek,

or even drive cars down our treacherous, chaotic roads.

vagy akár autókat vezetnek megbízhatatlan, kaotikus útjainkon.

It's amazing.

Lenyűgöző!

But if we don't keep up with the appetite of our software,

De ha nem tudunk lépést tartani szoftvereink étvágyával,

we could reach a point in the development of our technology

elérhetünk technológiánk fejlődésének egy olyan pontjára,

where the things that we could do with software could, in fact, be limited

ahol a szoftveresen lehetséges dolgok

hardvereink miatt korlátozottakká válnak.

by our hardware.

We've all experienced the frustration of an old smartphone or tablet

Mind tapasztaltunk már régi okostelefon vagy tablet miatti frusztrációt,

grinding slowly to a halt over time

ahogy lassan működik, végül leáll

under the ever-increasing weight of software updates and new features.

az egyre gyarapodó szoftverfrissítések és új funkciók terhe alatt.

And it worked just fine when we bought it not so long ago.

Amikor nem olyan rég megvettük, még jól működött,

But the hungry software engineers have eaten up all the hardware capacity

de a mohó szoftvermérnökök időközben

bekebelezték az egész hardverkapacitást.

over time.

The semiconductor industry is very well aware of this

A félvezetőipar nagyon is tudatában van ennek,

and is working on all sorts of creative solutions,

és kreatív megoldásokon dolgozik,

such as going beyond transistors to quantum computing

a tranzisztorokon túlhaladva a kvantumszámításig,

or even working with transistors in alternative architectures

vagy akár másfajta szerkezeti felépítést használva a tranzisztoroknál,

such as neural networks

mint amilyenek a neurális hálózatok,

to make more robust and efficient circuits.

hogy erősebb, hatékonyabb áramköröket készítsen.

But these approaches will take quite some time,

De ezek a megközelítések időigényesek,

and we're really looking for a much more immediate solution to this problem.

és mi sokkal inkább azonnali megoldást keresünk erre a problémára.

The reason why the rate of miniaturization of transistors is slowing down

A tranzisztorok miniatürizálása lassul,

is due to the ever-increasing complexity of the manufacturing process.

amit a gyártási folyamatok összetettebbé válása okoz.

The transistor used to be a big, bulky device,

A tranzisztorok valamikor kézzelfogható eszközök voltak,

until the invent of the integrated circuit

amíg fel nem találták

a tiszta szilíciumkristály lemezeken [ostyákon] alapuló integrált áramköröket.

based on pure crystalline silicon wafers.

And after 50 years of continuous development,

Ötven év folyamatos fejlődés után

we can now achieve transistor features dimensions

a tranzisztorok méretei

down to 10 nanometers.

tíz nanométeres dimenziókban járnak.

You can fit more than a billion transistors

Egymilliárd tranzisztornál is többet tudunk elhelyezni

in a single square millimeter of silicon.

egyetlen négyzetmilliméter szilíciumon.

And to put this into perspective:

Hogy jobban el tudják ezt képzelni,

a human hair is 100 microns across.

az emberi hajszál 100 mikron vastag.

A red blood cell, which is essentially invisible,

Egy lényegében láthatatlan vörösvértest

is eight microns across,

nyolc mikron átmérőjű,

and you can place 12 across the width of a human hair.

így 12 férne el belőlük a hajszál átmérőjén.

But a transistor, in comparison, is much smaller,

Egy tranzisztor ennél sokkal kisebb,

at a tiny fraction of a micron across.

kis töredéke a mikronnak.

You could place more than 260 transistors

Több mint 260 tranzisztor

across a single red blood cell

férne el keresztbe egy vörösvértesten,

or more than 3,000 across the width of a human hair.

és 3000-nél is több a hajszál átmérőjén.

It really is incredible nanotechnology in your pocket right now.

Hihetetlen nanotechnológia van a zsebükben.

And besides the obvious benefit

Nyilvánvalóan előnyös, ha képesek vagyunk

of being able to place more, smaller transistors on a chip,

több kisebb tranzisztort tenni egy chipre,

smaller transistors are faster switches,

de emellett a kisebb tranzisztorok gyorsabb kapcsolók,

and smaller transistors are also more efficient switches.

ráadásul hatékonyabbak is.

Vagyis ez a kombináció alacsony költségű, nagy teljesítményű,

So this combination has given us

lower cost, higher performance and higher efficiency electronics

magas hatékonyságú elektronikát nyújt számunkra,

that we all enjoy today.

melyet ma mindnyájan élvezünk.

To manufacture these integrated circuits,

Az integrált áramkörök gyártásához

the transistors are built up layer by layer,

a tranzisztorokat rétegesen építik fel,

on a pure crystalline silicon wafer.

tiszta szilíciumkristály ostyára.

And in an oversimplified sense,

Igen leegyszerűsített formában,

every tiny feature of the circuit is projected

az áramkör minden apró elemét

rávetítik a szilíciumlemez felületére,

onto the surface of the silicon wafer

and recorded in a light-sensitive material

és egy fényérzékeny anyagon rögzítik,

and then etched through the light-sensitive material

majd ezt az anyagot átmaratják,

to leave the pattern in the underlying layers.

mintát hagyva az alatta fekvő rétegekben.

And this process has been dramatically improved over the years

E folyamat az évek során drámaian fejlődött,

to give the electronics performance we have today.

az elektronikának a ma ismert teljesítményt nyújtva,

But as the transistor features get smaller and smaller,

de ahogy a tranzisztorok mérete csökken,

we're really approaching the physical limitations

elérjük ennek a gyártási technológiának

of this manufacturing technique.

a fizikai határait.

The latest systems for doing this patterning

A legújabb, e technológiára épülő rendszerek

have become so complex

olyan összetetté váltak,

that they reportedly cost more than 100 million dollars each.

hogy darabonként több mint 100 millió dollárba kerülnek.

And semiconductor factories contain dozens of these machines.

A félvezetőgyárakban több tucat ilyen gép van.

So people are seriously questioning: Is this approach long-term viable?

Ezért az emberek komolyan megkérdőjelezik: Életképes ez a módszer hosszú távon?

But we believe we can do this chip manufacturing

De mi hisszük, hogy képesek vagyunk chipet gyártani

ettől teljesen eltérő, költséghatékonyabb módon,

in a totally different and much more cost-effective way

using molecular engineering and mimicking nature

a természetet utánzó molekuláris tervezéssel,

nanoméretű dimenziókban állítva elő a tranzisztorokat.

down at the nanoscale dimensions of our transistors.

As I said, the conventional manufacturing takes every tiny feature of the circuit

A hagyományos gyártás fogja az áramkör minden apró elemét,

and projects it onto the silicon.

és a szilíciumra vetíti.

But if you look at the structure of an integrated circuit,

De ha az integrált áramkör szerkezetét,

the transistor arrays,

a tranzisztortömböket nézzük,

many of the features are repeated millions of times.

sok jellegzetesség milliószor ismétlődik.

It's a highly periodic structure.

Meglehetősen periodikus a struktúra.

So we want to take advantage of this periodicity

Ebből a tulajdonságból előnyt kovácsolhatunk

in our alternative manufacturing technique.

alternatív gyártástechnológiánkban.

We want to use self-assembling materials

Önszerveződő anyagokat kívánunk használni

to naturally form the periodic structures

a periodikus struktúrák természetes formálódásához,

that we need for our transistors.

melyekre tranzisztoraink miatt van szükségünk.

We do this with the materials,

Anyagokkal valósítjuk meg ezt,

then the materials do the hard work of the fine patterning,

melyek elvégzik a finom mintázatok kialakításának nehéz feladatát,

rather than pushing the projection technology to its limits and beyond.

ahelyett, hogy a kivetítési technológiát erőltetnénk minden határon túl.

Self-assembly is seen in nature in many different places,

Az önszerveződés a természetben több helyen is megfigyelhető,

from lipid membranes to cell structures,

a lipidmembránoktól a sejtszerkezetig,

so we do know it can be a robust solution.

úgyhogy tudjuk, hogy ez strapabíró megoldás lehet.

If it's good enough for nature, it should be good enough for us.

Ha elég jó a természetnek, számunkra is az kell, hogy legyen.

So we want to take this naturally occurring, robust self-assembly

Szóval, vesszük ezt a robusztus, természetes önszerveződést,

and use it for the manufacturing of our semiconductor technology.

és gyártásra használjuk fel félvezető-technológiánkban.

One type of self-assemble material --

Az egyik önszerveződő anyag -

it's called a block co-polymer --

szakaszos kopolimer -

consists of two polymer chains just a few tens of nanometers in length.

két, egyenként néhány tíz nanométer hosszú polimerláncból áll,

But these chains hate each other.

amelyek nem férnek össze,

They repel each other,

taszítják egymást,

very much like oil and water or my teenage son and daughter.

mint az olaj és a víz, vagy mint a serdülő fiam és lányom.

(Laughter)

(Nevetés)

But we cruelly bond them together,

De mi kegyetlenül összekapcsoljuk őket,

creating an inbuilt frustration in the system,

beépített feszültséget hozunk létre a rendszerben,

as they try to separate from each other.

amint próbálnak szétválni egymástól.

And in the bulk material, there are billions of these,

Az ömlesztett anyagban ezek milliárdjai találhatók,

and the similar components try to stick together,

a hasonló összetevők próbálnak együtt maradni,

and the opposing components try to separate from each other

az ellentétesek pedig elkülönülni egymástól,

at the same time.

mindezt egyidőben.

And this has a built-in frustration, a tension in the system.

Ez beépített feszültséget hoz létre a rendszerben,

So it moves around, it squirms until a shape is formed.

amely így mozog, formálódik, és végül kialakul.

And the natural self-assembled shape that is formed is nanoscale,

Ez a természetesen önszerveződő forma nanoméretű,

it's regular, it's periodic, and it's long range,

hosszú, szabályos és periodikus,

which is exactly what we need for our transistor arrays.

azaz pontosan olyan, amilyenre szükségünk van tranzisztortömbjeink számára.

So we can use molecular engineering

Így már használhatjuk a molekuláris tervezést

to design different shapes of different sizes

különböző méretű és periodicitású

and of different periodicities.

alakzatok létrehozásához.

So for example, if we take a symmetrical molecule,

Ha például veszünk két szimmetrikus molekulát,

where the two polymer chains are similar length,

ahol a két polimerlánc hasonló hosszúságú,

the natural self-assembled structure that is formed

a természetes önszerveződéssel kialakult forma

is a long, meandering line,

egy hosszú, kanyargós vonal,

very much like a fingerprint.

amely nagyon hasonlít az ujjlenyomathoz.

And the width of the fingerprint lines

Az ujjlenyomatvonalak szélességét,

and the distance between them

és a köztük lévő távolságot

is determined by the lengths of our polymer chains

polimerláncaink hossza,

but also the level of built-in frustration in the system.

valamint a rendszer beépített feszültsége határozza meg.

And we can even create more elaborate structures

Ennél is kidolgozottabb struktúrákat tudunk létrehozni

if we use unsymmetrical molecules,

aszimmetrikus molekulák felhasználásával,

where one polymer chain is significantly shorter than the other.

ahol az egyik polimerlánc jelentősen rövidebb a másiknál.

And the self-assembled structure that forms in this case

Ebben az esetben a kialakult szerkezetben

is with the shorter chains forming a tight ball in the middle,

a rövidebb láncok tömör labdaként állnak össze középen,

and it's surrounded by the longer, opposing polymer chains,

és őket hosszabb, szemben álló polimerláncok veszik körbe,

forming a natural cylinder.

miközben természetes hengert formálnak.

And the size of this cylinder

A henger mérete,

and the distance between the cylinders, the periodicity,

és a hengerek közti távolság, a periodikusság

is again determined by how long we make the polymer chains

ez esetben is a polimerláncok hosszától

and the level of built-in frustration.

és a beépített feszültségtől függenek.

So in other words, we're using molecular engineering

Más szavakkal, molekuláris tervezéssel

to self-assemble nanoscale structures

nanoméretű alakzatok önszerveződését idézzük elő,

that can be lines or cylinders the size and periodicity of our design.

ezek lehetnek terveinknek megfelelő méretű és periodicitású vonalak és hengerek.

We're using chemistry, chemical engineering,

A kémiát és vegyészmérnöki tudásunkat használjuk,

to manufacture the nanoscale features that we need for our transistors.

hogy legyártsuk ezeket a nanoméretű jellemzőket tranzisztoraink számára.

But the ability to self-assemble these structures

De az önszerveződő alakzatok létrehozásának képessége

only takes us half of the way,

csak félútig visz el bennünket,

because we still need to position these structures

mivel még el kell helyezni őket az integrált áramkörben oda,

where we want the transistors in the integrated circuit.

ahová tranzisztorokat kívánunk elhelyezni.

But we can do this relatively easily

Ám ezt viszonylag könnyen el tudjuk érni.

using wide guide structures that pin down the self-assembled structures,

Széles vezetőelemekkel rögzítjük az önszerveződő alakzatokat

anchoring them in place

a kívánt helyre,

and forcing the rest of the self-assembled structures

fennmaradó részüket pedig

to lie parallel,

párhuzamos helyzetekbe kényszerítjük,

aligned with our guide structure.

a vezetőelemekhez igazítva.

For example, if we want to make a fine, 40-nanometer line,

Például, ha egy vékony, 40 nanométeres sort akarunk,

which is very difficult to manufacture with conventional projection technology,

amelyet elég nehéz legyártani a hagyományos vetítési technológiával,

we can manufacture a 120-nanometer guide structure

a normál vetítési technológiával

with normal projection technology,

legyárthatunk egy 120 nanométeres vezetőstruktúrát,

and this structure will align three of the 40-nanometer lines in between.

ami három 40 nanométeres sort fog létrehozni a vezetősávok között.

So the materials are doing the most difficult fine patterning.

Így az anyagok végzik a legnehezebb finom-mintázást.

And we call this whole approach "directed self-assembly."

Ezt a megközelítést nevezzük "irányított önszerveződésnek".

The challenge with directed self-assembly

A kihívás benne, hogy az egész rendszernek

is that the whole system needs to align almost perfectly,

majdnem tökéletesen kell igazodnia,

because any tiny defect in the structure could cause a transistor failure.

mivel egy apró hiba is tranzisztor-meghibásodást okozhat.

And because there are billions of transistors in our circuit,

Mivel áramkörünkben tranzisztorok milliárdjai találhatók,

we need an almost molecularly perfect system.

molekulárisan majdnem tökéletes rendszerre van szükségünk.

But we're going to extraordinary measures

Rendkívüli intézkedéseket fogunk tenni,

to achieve this,

hogy ezt elérjük,

from the cleanliness of our chemistry

a kémiai tisztaságtól

to the careful processing of these materials

az anyagok gondos előállításáig

in the semiconductor factory

a félvezetőgyárban,

to remove even the smallest nanoscopic defects.

hogy eltávolítsuk még a legkisebb nanoméretű hibát is.

So directed self-assembly is an exciting new disruptive technology,

Az irányított "önszerelés" tehát izgalmas, új szemléletű technológia,

but it is still in the development stage.

ám egyelőre még fejlesztési stádiumban van.

But we're growing in confidence that we could, in fact, introduce it

De egyre erősebb a meggyőződésünk,

hogy forradalmian új gyártási folyamatként

to the semiconductor industry

as a revolutionary new manufacturing process

mutatjuk majd be a félvezetőiparnak

in just the next few years.

néhány év múlva.

And if we can do this, if we're successful,

Ha ezt elérjük, ha sikerül,

we'll be able to continue

képesek leszünk folytatni

with the cost-effective miniaturization of transistors,

a tranzisztorok költséghatékony miniatürizálását,

continue with the spectacular expansion of computing

továbbfejleszteni a számítástechnikát,

and the digital revolution.

így új lendületet adni a digitális forradalomnak.

And what's more, this could even be the dawn of a new era

És mi több, ez egy új kor hajnalát jelentheti

of molecular manufacturing.

a molekuláris tervezésben.

How cool is that?

Ugye milyen remek?

Thank you.

Köszönöm.

(Applause)

(Taps)