Elektroniikan kehitystä uhkaa äkkipysäys. Maailman johtava mikropiirivalmistaja Intel  lupaa apua Tähtien sodan tekniikasta.

Tekniikka-palsta

Teksti: Maria Korteila

Elektroniikan kehitystä uhkaa äkkipysäys. Maailman johtava mikropiirivalmistaja Intel  lupaa apua Tähtien sodan tekniikasta.

Julkaistu Tiede-lehdessä 11/2012

Jokainen tietokone- ja kännykkäsukupolvi on entistä suorituskykyisempi, nopeampi ja, jos mahdollista, pienempikin. Kehitys ei kuitenkaan voi jatkua ikuisesti. Seinä saattaa tulla eteen jo ensi vuonna.

Laitteiden suorituskyvyn kehitys on pitkälti puolijohdeteollisuuden ansiota: parin vuoden välein yhden mikropiirin sisältämien komponenttien määrä on kaksinkertaistunut. Vaikka lukumäärä ei ole ainoa suorituskykyyn vaikuttava asia, se on sille hyvä mittatikku. Mikropiireistä eli mikroprosessoreista syntyvät tietokoneen aivot, muisti ja matikkapää.

Kaksinkertaistumiskehitystä kutsutaan Mooren laiksi, ja se on pitänyt paikkansa vuosikymmeniä. Vaan ei pidä kohta. Maailman suurin mikropiirivalmistaja Intel on ilmoittanut, että nykyistä valmistustekniikkaa säätämällä voidaan saada aikaan vielä kaksi tuotesukupolvea. Käytännössä tämä tarkoittaa, että ensi vuoden jälkeen Intelillä ei olisi tarjota entistä tehokkaampia mikroprosessoreja eikä kuluttajille voisi tarjota entistä parempia läppäreitä ja matkapuhelimia. Eihän sellainen käy!

Äärimmäinen uv piirtää pientä

Mikropiirejä valmistetaan niin sanotulla optisella litografialla. Sitä voi verrata valokuvatekniikkaan: valoherkillä materiaaleilla päällystettyä piikiekkoa ”valotetaan” säteellä, ja valottamattomat alueet jäävät puolijohdekomponenteiksi piisirun päälle.

Kuinka pieniä komponentteja litografialla pystytään piirtämään, riippuu käytetystä valon aallonpituudesta. Kahdenkymmenen viime vuoden aikana se on asteittain lyhentynyt pitkästä 365 nanometrin ultraviolettisäteilystä nykyisin vallalla olevaan 193 nanometrin lyhyeen säteilyyn. Sillä voidaan valmistaa noin 22 nanometrin kokoisia rakenteita. Vertailun vuoksi: ihmisen hius on keskimäärin 5 000 kertaa paksumpi. Hieman pienempiinkin kokoihin on mahdollista yltää, mutta sitten eväät loppuvat.

Siksi Intel sijoitti tänä vuonna miljardi dollaria uuteen menetelmään: extreme ultraviolet litographyyn. Se on litografiaa, joka perustuu äärimmäisen lyhytaaltoiseen ultraviolettisäteilyyn. Sillä pysytään kuvioimaan viiden nanometrin kokoisia rakenteita, ehkä jopa pienempiä.

Tekniikka on peräisin kylmän sodan aikaisesta Tähtien sota -ohjelmasta. Silloin äärimmäisestä ultraviolettivalosta kehitettiin laseraseita, joilla oli tarkoitus tuhota satelliiteista käsin Yhdysvaltoja uhkaavia ydinohjuksia. Kylmän sodan jälkeen teknologian kehitys siirtyi puolijohdeteollisuudelle.

Tehokas valo puuttuu vielä

Siirtyminen kertaheitolla käyttämään valoa, jonka aallonpituus on vain kymmenesosa entisestä, on kaikkea muuta kuin yksinkertaista.

Äärimmäisen ultraviolettivalon aallonpituus, 13,5 nanometriä, on niin lyhyt, että se imeytyy lähes kaikkiin materiaaleihin – jopa ilman molekyyleihin. Suurin osa säteen kulusta on siis saatava järjestymään tyhjiössä, mikä lisää kustannuksia.

Säteen ohjaaminenkaan ei onnistu nykyiseen tapaan linssien avulla, vaan siihen tarvitaan erikoispeilejä, joissa on kymmeniä erilaisia kerroksia. Silti iso osa valonsäteestä imeytyy niihin. Siksi valonlähteen on oltava todella tehokas – niin tehokas, ettei sellaista ole toistaiseksi pystytty valmistamaan.

Ongelmat ovat ratkaistavissa

Haasteet eivät hirvitä hollantilaista ASML-yritystä, joka uutta litografiaa Intelille kehittää. Se uskoo, että massatuotanto polkaistaan pystyyn muutamassa vuodessa. Epäilijöitäkin toki on.

Toistaiseksi muitakaan vaihtoehtoja ei ole, ei ainakaan sellaisia, jotka sopisivat edulliseen massatuotantoon pikaisella aikataululla. Tekniikalla saatetaan kuitenkin voittaa lisäaikaa piipohjaisen elektroniikan aikakaudelle, joka auttamattomasti lähenee loppuaan.

Sirut ja komponentit eivät voi pienentyä loputtomasti, sillä fysiikan lait tulevat vastaan. Alle 0,1 nanometrin kokoluokkaan eli piiatomeja pienemmäksi piirtoa ei saa millään aallonpituudella.

Maria Korteila on Tiede-lehden toimittaja.

Transistoreja yhdessä mikropiirissä– 1971: 2 300 = kuin konserttisalissa paikkoja– 1990: 134 000 = stadionillinen väkeä– 2000: 32 miljoonaa = Tokion asukasluku– 2012: 1 ,4 miljardia = Kiinan asukasluku

Mistä kiikastaa?

Gordon Moore, yksi Intelin perustajista, ennusti vuonna 1965, että yhteen mikropiiriin mahtuvien transistorien lukumäärä suunnilleen kaksinkertaistuu joka toinen vuosi.

Hän myös laski, että massatuotantoon sopiva pii pitää piirien valmistuksen taloudelli-sesti kannattavana.

Nyt Mooren lakina tunnettu kehityskulku on katkeamassa, sillä pikkuiseen piisiruun ei mahdu lisää nykyisen kokoisia transistoreja.