Computers used to be as big as a room. But now they fit in your pocket, on your wrist and can even be implanted inside of your body. How cool is that? And this has been enabled by the miniaturization of transistors, which are the tiny switches in the circuits at the heart of our computers. And it's been achieved through decades of development and breakthroughs in science and engineering and of billions of dollars of investment. But it's given us vast amounts of computing, huge amounts of memory and the digital revolution that we all experience and enjoy today.
A számítógépek hajdanán szobanagyságúak voltak. Most ott lehetnek a zsebünkben, a csuklónkon, még a testünkbe is beültethetők. Ugye milyen remek? Ez a tranzisztorok miniatürizálása révén vált lehetségessé, melyek apró kapcsolók számítógépeink áramköreiben. Évtizedeken át tartó fejlődés során tudományos áttörésekkel, a mérnöki munka bravúrjaival és dollármilliárdok befektetésével értük el mindezt. Ez nagyfokú számítógép-használatot és nagyméretű memóriát hozott el nekünk, valamint a napjainkban tapasztalható és élvezhető digitális forradalmat.
But the bad news is, we're about to hit a digital roadblock, as the rate of miniaturization of transistors is slowing down. And this is happening at exactly the same time as our innovation in software is continuing relentlessly with artificial intelligence and big data. And our devices regularly perform facial recognition or augment our reality or even drive cars down our treacherous, chaotic roads. It's amazing. But if we don't keep up with the appetite of our software, we could reach a point in the development of our technology where the things that we could do with software could, in fact, be limited by our hardware.
De a rossz hír az, hogy digitális útzárhoz érkeztünk, mivel a miniatürizálás sebessége lassul. Ez éppen akkor történik, amikor a szoftverújítás könyörtelenül folytatódik mesterséges intelligenciával és tömérdek adattal, amikor eszközeink többnyire arcfelismerést és valóság-kiterjesztést végeznek, vagy akár autókat vezetnek megbízhatatlan, kaotikus útjainkon. Lenyűgöző! De ha nem tudunk lépést tartani szoftvereink étvágyával, elérhetünk technológiánk fejlődésének egy olyan pontjára, ahol a szoftveresen lehetséges dolgok hardvereink miatt korlátozottakká válnak.
We've all experienced the frustration of an old smartphone or tablet grinding slowly to a halt over time under the ever-increasing weight of software updates and new features. And it worked just fine when we bought it not so long ago. But the hungry software engineers have eaten up all the hardware capacity over time. The semiconductor industry is very well aware of this and is working on all sorts of creative solutions, such as going beyond transistors to quantum computing or even working with transistors in alternative architectures such as neural networks to make more robust and efficient circuits. But these approaches will take quite some time, and we're really looking for a much more immediate solution to this problem.
Mind tapasztaltunk már régi okostelefon vagy tablet miatti frusztrációt, ahogy lassan működik, végül leáll az egyre gyarapodó szoftverfrissítések és új funkciók terhe alatt. Amikor nem olyan rég megvettük, még jól működött, de a mohó szoftvermérnökök időközben bekebelezték az egész hardverkapacitást. A félvezetőipar nagyon is tudatában van ennek, és kreatív megoldásokon dolgozik, a tranzisztorokon túlhaladva a kvantumszámításig, vagy akár másfajta szerkezeti felépítést használva a tranzisztoroknál, mint amilyenek a neurális hálózatok, hogy erősebb, hatékonyabb áramköröket készítsen. De ezek a megközelítések időigényesek, és mi sokkal inkább azonnali megoldást keresünk erre a problémára.
The reason why the rate of miniaturization of transistors is slowing down is due to the ever-increasing complexity of the manufacturing process. The transistor used to be a big, bulky device, until the invent of the integrated circuit based on pure crystalline silicon wafers. And after 50 years of continuous development, we can now achieve transistor features dimensions down to 10 nanometers. You can fit more than a billion transistors in a single square millimeter of silicon. And to put this into perspective: a human hair is 100 microns across. A red blood cell, which is essentially invisible, is eight microns across, and you can place 12 across the width of a human hair. But a transistor, in comparison, is much smaller, at a tiny fraction of a micron across. You could place more than 260 transistors across a single red blood cell or more than 3,000 across the width of a human hair. It really is incredible nanotechnology in your pocket right now. And besides the obvious benefit of being able to place more, smaller transistors on a chip, smaller transistors are faster switches, and smaller transistors are also more efficient switches.
A tranzisztorok miniatürizálása lassul, amit a gyártási folyamatok összetettebbé válása okoz. A tranzisztorok valamikor kézzelfogható eszközök voltak, amíg fel nem találták a tiszta szilíciumkristály lemezeken [ostyákon] alapuló integrált áramköröket. Ötven év folyamatos fejlődés után a tranzisztorok méretei tíz nanométeres dimenziókban járnak. Egymilliárd tranzisztornál is többet tudunk elhelyezni egyetlen négyzetmilliméter szilíciumon. Hogy jobban el tudják ezt képzelni, az emberi hajszál 100 mikron vastag. Egy lényegében láthatatlan vörösvértest nyolc mikron átmérőjű, így 12 férne el belőlük a hajszál átmérőjén. Egy tranzisztor ennél sokkal kisebb, kis töredéke a mikronnak. Több mint 260 tranzisztor férne el keresztbe egy vörösvértesten, és 3000-nél is több a hajszál átmérőjén. Hihetetlen nanotechnológia van a zsebükben. Nyilvánvalóan előnyös, ha képesek vagyunk több kisebb tranzisztort tenni egy chipre, de emellett a kisebb tranzisztorok gyorsabb kapcsolók, ráadásul hatékonyabbak is.
So this combination has given us lower cost, higher performance and higher efficiency electronics that we all enjoy today.
Vagyis ez a kombináció alacsony költségű, nagy teljesítményű, magas hatékonyságú elektronikát nyújt számunkra, melyet ma mindnyájan élvezünk.
To manufacture these integrated circuits, the transistors are built up layer by layer, on a pure crystalline silicon wafer. And in an oversimplified sense, every tiny feature of the circuit is projected onto the surface of the silicon wafer and recorded in a light-sensitive material and then etched through the light-sensitive material to leave the pattern in the underlying layers. And this process has been dramatically improved over the years to give the electronics performance we have today.
Az integrált áramkörök gyártásához a tranzisztorokat rétegesen építik fel, tiszta szilíciumkristály ostyára. Igen leegyszerűsített formában, az áramkör minden apró elemét rávetítik a szilíciumlemez felületére, és egy fényérzékeny anyagon rögzítik, majd ezt az anyagot átmaratják, mintát hagyva az alatta fekvő rétegekben. E folyamat az évek során drámaian fejlődött, az elektronikának a ma ismert teljesítményt nyújtva,
But as the transistor features get smaller and smaller, we're really approaching the physical limitations of this manufacturing technique. The latest systems for doing this patterning have become so complex that they reportedly cost more than 100 million dollars each. And semiconductor factories contain dozens of these machines. So people are seriously questioning: Is this approach long-term viable? But we believe we can do this chip manufacturing in a totally different and much more cost-effective way using molecular engineering and mimicking nature down at the nanoscale dimensions of our transistors.
de ahogy a tranzisztorok mérete csökken, elérjük ennek a gyártási technológiának a fizikai határait. A legújabb, e technológiára épülő rendszerek olyan összetetté váltak, hogy darabonként több mint 100 millió dollárba kerülnek. A félvezetőgyárakban több tucat ilyen gép van. Ezért az emberek komolyan megkérdőjelezik: Életképes ez a módszer hosszú távon? De mi hisszük, hogy képesek vagyunk chipet gyártani ettől teljesen eltérő, költséghatékonyabb módon, a természetet utánzó molekuláris tervezéssel, nanoméretű dimenziókban állítva elő a tranzisztorokat.
As I said, the conventional manufacturing takes every tiny feature of the circuit and projects it onto the silicon. But if you look at the structure of an integrated circuit, the transistor arrays, many of the features are repeated millions of times. It's a highly periodic structure. So we want to take advantage of this periodicity in our alternative manufacturing technique. We want to use self-assembling materials to naturally form the periodic structures that we need for our transistors. We do this with the materials, then the materials do the hard work of the fine patterning, rather than pushing the projection technology to its limits and beyond. Self-assembly is seen in nature in many different places, from lipid membranes to cell structures, so we do know it can be a robust solution. If it's good enough for nature, it should be good enough for us. So we want to take this naturally occurring, robust self-assembly and use it for the manufacturing of our semiconductor technology.
A hagyományos gyártás fogja az áramkör minden apró elemét, és a szilíciumra vetíti. De ha az integrált áramkör szerkezetét, a tranzisztortömböket nézzük, sok jellegzetesség milliószor ismétlődik. Meglehetősen periodikus a struktúra. Ebből a tulajdonságból előnyt kovácsolhatunk alternatív gyártástechnológiánkban. Önszerveződő anyagokat kívánunk használni a periodikus struktúrák természetes formálódásához, melyekre tranzisztoraink miatt van szükségünk. Anyagokkal valósítjuk meg ezt, melyek elvégzik a finom mintázatok kialakításának nehéz feladatát, ahelyett, hogy a kivetítési technológiát erőltetnénk minden határon túl. Az önszerveződés a természetben több helyen is megfigyelhető, a lipidmembránoktól a sejtszerkezetig, úgyhogy tudjuk, hogy ez strapabíró megoldás lehet. Ha elég jó a természetnek, számunkra is az kell, hogy legyen. Szóval, vesszük ezt a robusztus, természetes önszerveződést, és gyártásra használjuk fel félvezető-technológiánkban.
One type of self-assemble material -- it's called a block co-polymer -- consists of two polymer chains just a few tens of nanometers in length. But these chains hate each other. They repel each other, very much like oil and water or my teenage son and daughter.
Az egyik önszerveződő anyag - szakaszos kopolimer - két, egyenként néhány tíz nanométer hosszú polimerláncból áll, amelyek nem férnek össze, taszítják egymást, mint az olaj és a víz, vagy mint a serdülő fiam és lányom.
(Laughter)
(Nevetés)
But we cruelly bond them together, creating an inbuilt frustration in the system, as they try to separate from each other. And in the bulk material, there are billions of these, and the similar components try to stick together, and the opposing components try to separate from each other at the same time. And this has a built-in frustration, a tension in the system. So it moves around, it squirms until a shape is formed. And the natural self-assembled shape that is formed is nanoscale, it's regular, it's periodic, and it's long range, which is exactly what we need for our transistor arrays.
De mi kegyetlenül összekapcsoljuk őket, beépített feszültséget hozunk létre a rendszerben, amint próbálnak szétválni egymástól. Az ömlesztett anyagban ezek milliárdjai találhatók, a hasonló összetevők próbálnak együtt maradni, az ellentétesek pedig elkülönülni egymástól, mindezt egyidőben. Ez beépített feszültséget hoz létre a rendszerben, amely így mozog, formálódik, és végül kialakul. Ez a természetesen önszerveződő forma nanoméretű, hosszú, szabályos és periodikus, azaz pontosan olyan, amilyenre szükségünk van tranzisztortömbjeink számára.
So we can use molecular engineering to design different shapes of different sizes and of different periodicities. So for example, if we take a symmetrical molecule, where the two polymer chains are similar length, the natural self-assembled structure that is formed is a long, meandering line, very much like a fingerprint. And the width of the fingerprint lines and the distance between them is determined by the lengths of our polymer chains but also the level of built-in frustration in the system.
Így már használhatjuk a molekuláris tervezést különböző méretű és periodicitású alakzatok létrehozásához. Ha például veszünk két szimmetrikus molekulát, ahol a két polimerlánc hasonló hosszúságú, a természetes önszerveződéssel kialakult forma egy hosszú, kanyargós vonal, amely nagyon hasonlít az ujjlenyomathoz. Az ujjlenyomatvonalak szélességét, és a köztük lévő távolságot polimerláncaink hossza, valamint a rendszer beépített feszültsége határozza meg.
And we can even create more elaborate structures if we use unsymmetrical molecules, where one polymer chain is significantly shorter than the other. And the self-assembled structure that forms in this case is with the shorter chains forming a tight ball in the middle, and it's surrounded by the longer, opposing polymer chains, forming a natural cylinder. And the size of this cylinder and the distance between the cylinders, the periodicity, is again determined by how long we make the polymer chains and the level of built-in frustration.
Ennél is kidolgozottabb struktúrákat tudunk létrehozni aszimmetrikus molekulák felhasználásával, ahol az egyik polimerlánc jelentősen rövidebb a másiknál. Ebben az esetben a kialakult szerkezetben a rövidebb láncok tömör labdaként állnak össze középen, és őket hosszabb, szemben álló polimerláncok veszik körbe, miközben természetes hengert formálnak. A henger mérete, és a hengerek közti távolság, a periodikusság ez esetben is a polimerláncok hosszától és a beépített feszültségtől függenek.
So in other words, we're using molecular engineering to self-assemble nanoscale structures that can be lines or cylinders the size and periodicity of our design. We're using chemistry, chemical engineering, to manufacture the nanoscale features that we need for our transistors.
Más szavakkal, molekuláris tervezéssel nanoméretű alakzatok önszerveződését idézzük elő, ezek lehetnek terveinknek megfelelő méretű és periodicitású vonalak és hengerek. A kémiát és vegyészmérnöki tudásunkat használjuk, hogy legyártsuk ezeket a nanoméretű jellemzőket tranzisztoraink számára.
But the ability to self-assemble these structures only takes us half of the way, because we still need to position these structures where we want the transistors in the integrated circuit. But we can do this relatively easily using wide guide structures that pin down the self-assembled structures, anchoring them in place and forcing the rest of the self-assembled structures to lie parallel, aligned with our guide structure. For example, if we want to make a fine, 40-nanometer line, which is very difficult to manufacture with conventional projection technology, we can manufacture a 120-nanometer guide structure with normal projection technology, and this structure will align three of the 40-nanometer lines in between. So the materials are doing the most difficult fine patterning.
De az önszerveződő alakzatok létrehozásának képessége csak félútig visz el bennünket, mivel még el kell helyezni őket az integrált áramkörben oda, ahová tranzisztorokat kívánunk elhelyezni. Ám ezt viszonylag könnyen el tudjuk érni. Széles vezetőelemekkel rögzítjük az önszerveződő alakzatokat a kívánt helyre, fennmaradó részüket pedig párhuzamos helyzetekbe kényszerítjük, a vezetőelemekhez igazítva. Például, ha egy vékony, 40 nanométeres sort akarunk, amelyet elég nehéz legyártani a hagyományos vetítési technológiával, a normál vetítési technológiával legyárthatunk egy 120 nanométeres vezetőstruktúrát, ami három 40 nanométeres sort fog létrehozni a vezetősávok között. Így az anyagok végzik a legnehezebb finom-mintázást.
And we call this whole approach "directed self-assembly." The challenge with directed self-assembly is that the whole system needs to align almost perfectly, because any tiny defect in the structure could cause a transistor failure. And because there are billions of transistors in our circuit, we need an almost molecularly perfect system. But we're going to extraordinary measures to achieve this, from the cleanliness of our chemistry to the careful processing of these materials in the semiconductor factory to remove even the smallest nanoscopic defects.
Ezt a megközelítést nevezzük "irányított önszerveződésnek". A kihívás benne, hogy az egész rendszernek majdnem tökéletesen kell igazodnia, mivel egy apró hiba is tranzisztor-meghibásodást okozhat. Mivel áramkörünkben tranzisztorok milliárdjai találhatók, molekulárisan majdnem tökéletes rendszerre van szükségünk. Rendkívüli intézkedéseket fogunk tenni, hogy ezt elérjük, a kémiai tisztaságtól az anyagok gondos előállításáig a félvezetőgyárban, hogy eltávolítsuk még a legkisebb nanoméretű hibát is.
So directed self-assembly is an exciting new disruptive technology, but it is still in the development stage. But we're growing in confidence that we could, in fact, introduce it to the semiconductor industry as a revolutionary new manufacturing process in just the next few years. And if we can do this, if we're successful, we'll be able to continue with the cost-effective miniaturization of transistors, continue with the spectacular expansion of computing and the digital revolution. And what's more, this could even be the dawn of a new era of molecular manufacturing. How cool is that?
Az irányított "önszerelés" tehát izgalmas, új szemléletű technológia, ám egyelőre még fejlesztési stádiumban van. De egyre erősebb a meggyőződésünk, hogy forradalmian új gyártási folyamatként mutatjuk majd be a félvezetőiparnak néhány év múlva. Ha ezt elérjük, ha sikerül, képesek leszünk folytatni a tranzisztorok költséghatékony miniatürizálását, továbbfejleszteni a számítástechnikát, így új lendületet adni a digitális forradalomnak. És mi több, ez egy új kor hajnalát jelentheti a molekuláris tervezésben. Ugye milyen remek?
Thank you.
Köszönöm.
(Applause)
(Taps)