Mi a szilícium, és miért gyártanak belőle számítógépes chipeket?

Ostoba kérdésnek tűnhet, amelyre csak néhány rövid válasz adható: A szilícium a periódusos rendszer 14. eleme. Ez az univerzum egyik alapvető alkotóeleme, egy proton nehezebb, mint az alumínium, egy proton könnyebb, mint a foszfor. A szilícium, mint szinte minden más elem, túl gyakran fordul elő egy olyan webhelyen, mint az 2007es.com - ez az otthoni építőanyagok fő alkotóeleme, ez az összes jelenlegi számítógépes processzor alapja, és még a valószínűleg jelölt az idegen, nem szénalapú élet mögött. Pontosan mitől olyan különleges a szilícium?

Nos, sok minden.

A szilícium mint építőelem



A szilícium megkülönböztető jellemzői közül az a legfontosabb, hogy egész egyszerűen pokolian sok van belőle. Az oxigén után ez a földkéreg második leggyakoribb eleme - de ne számítson arra, hogy csak fekve találja meg. A szilícium szinte soha nem található tiszta állapotban a természetben, és gyakorlatilag mindig vegyületként érkezik más elemekkel. Leggyakrabban szilikátként (SiO4Vagy egy szilícium atom, amely négy oxigénatomhoz kapcsolódik) és szilícium-dioxid (SiOkettővagy egy szilícium atom, amely két oxigénatomhoz kapcsolódik). A szilícium-dioxid durva és erősen szennyezett formában a homok elsődleges alkotóeleme. A földpát, a gránit, a kvarc és még sok más szilícium-oxigén vegyületeken alapul.

Keverje össze ezt vízzel és kavicsokkal, és te

Keverje össze ezt vízzel és kavicsokkal, és máris beton van.

A szilíciumvegyületek sokféle hasznos tulajdonsággal rendelkeznek, főleg azért, mert nagyon szorosan és összetett elrendezésben képesek megkötni más atomokat. A különféle szilikátok, mint a kalcium-szilikát, a portlandcement elsődleges alkotóelemei, a beton, a habarcs és a stukkó fő kötőanyaga. Egyes szilikátban gazdag anyagokat keményített kerámiák, például porcelán előállításához lehet melegíteni, míg mások összeolvadnak a világ elsődleges üvegformájának, a szóda-mészüveg formájának. A szilícium nyomelem-adalékként hasznos lehet más anyagokban is, például az öntöttvasban, amely a szenet és a szilíciumot egyaránt felhasználja a vas ellenállóbbá és kevésbé törékenyé tételéhez.

És igen, a szilícium is a szintetikus anyag szilikon fő szerkezeti alkotóeleme, de ne keverje össze a kettőt - ha valóban a Szilikon-völgy volt, a technológiai világ egészen más hely volt, mint amit ma látunk.

Szilícium, mint számítógépes chip

A számítógépes tranzisztor alapjául szolgáló elem kiválasztásakor a kulcsszó az ellenállás. A vezetők alacsony ellenállással rendelkeznek, és nagyon könnyen áthaladnak az elektromos áram mentén, míg a szigetelők (kiszámíthatóan) nagy ellenállással rendelkeznek, és lassítják vagy blokkolják az elektronok áramlását. Egy tranzisztorhoz, amelynek képesnek kell lennie a tetszés szerinti ki- és bekapcsolásra, megköveteljük a félig-vezető, olyan anyag, amelynek ellenállása a vezető és a szigetelő között van. Az ipar számára a legjobb félvezetőket sokféle „adalékanyaggal” kezelhetjük, hogy szükség esetén finoman beállítsuk ellenállásukat.

Tiszta szilíciumkristály, úgynevezett ingot.

Tiszta szilíciumkristály, úgynevezett ingot.

A szilícium nem az egyetlen félvezető anyag a Földön - még a legjobb félvezető sem a Földön. Ami messze van, az a legelterjedtebb félvezető a Földön. A szilícium könnyen hozzáférhető az egész világon; nem kell speciális afrikai aknákból importálnia, vagy hónapokig tartó drága és szennyező bánásmódot kell végeznie, csak azért, hogy valamennyit megszerezzen. Könnyű vele dolgozni, és ami a legfontosabb: a tudósok megbízható módszereket találtak ki tökéletesen rendezett kristályokká történő növesztés céljából. Ezek a kristályok a szilíciumhoz, a gyémánt szénhez.

Az óriási, szinte tökéletes szilíciumkristályok növekedése az egyik elsődleges képesség a modern számítógépes chipek gyártásában. Ezeket a kristályokat ezután vékony ostyákra szeletelik, majd metszik, feldolgozzák és néha több száz különböző módon kezelik, mielőtt az egyes kockákba kockára vágják és kereskedelmi processzorokba csomagolják. Kiváló tranzisztorokat lehet készíteni olyan dolgokból, mint a szén, és még egzotikusabb anyagokból, például a germániumból, de egyik sem engedi meg, hogy a szilícium nagy tömegű gyártása lehetővé tegye a nagy kristálynövekedést - legalábbis még nem.

Jelenleg a szilíciumkristályokat (úgynevezett „ingot”) 300 mm átmérőjű hengerekben készítik, de a kutatások gyorsan megközelítik a 450 mm-es küszöböt. Ennek segítenie kell a termelési költségek csökkentését, és ezáltal a sebesség növekedését még legalább egy évtizedig. Azután? Végül nem maradhat más választás, mint elhagyni a szilíciumot valami kevésbé bőséges és könnyen kezelhető dologért - jó hír a feldolgozási sebességhez, de szinte biztos, hogy rossz hír a pénztárcához.

A szilícium mint idegen élet

szilícium 5

A „szénalapú élet” kifejezés sokat dob, de mit is jelent valójában? Ez azt jelenti, hogy a testünket alkotó mag szerkezeti molekulák (fehérjék, aminosavak, nukleinsavak, zsírsavak és még sok más) a szénatomok vázaira épülnek. Ez azért van, mert a szénnek nagy tulajdonsága, hogy „négyértékű”. Az oxigén egyszerre csak két stabil kémiai kötést képes kialakítani (ezáltal vízhez vagy H-hoz vezetkettőO), és csak három nitrogén (ami ammóniához vagy NH-hoz vezet3), De a szén egyszerre akár négy különböző atomra is képes ragaszkodni (így metánt vagy CH-t kapunk)4). A négyértékűség erőteljes alap az erős és geometrikusan összetett molekulák felépítéséhez, és ez a kémiai erények duója lehetővé tette az univerzumban jelenleg ismert összes élet evolúcióját.

Star Trek

Star TrekA Horta állítólag szilícium alapú.

Mégis, ha tudjuk, hogyan szerveződik a periódusos rendszer, akkor tudjuk, hogy a függőleges oszlop elemei hasonló kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek - és közvetlenül a szén alatt szilícium. Éppen ezért a sci-fi szerzők annyi időt és tintát fordítottak a szilícium alapú élet gondolatára; maga a négyértékű, a szilícium a legvalószínűbb alternatív szerkezeti elem a teljesen újszerű életformákban. A szilícium örömmel erőteljesen kötődik más szilícium atomokhoz (akárcsak a szén és a szén), és így kétszer rögzítheti bizonyos konformációkat a helyükön. Feltételezzük, hogy mindkettő kulcsfontosságú az élet fejlődésének lehetővé tételéhez.

Természetesen, mivel a szilícium a Földön sokkal nagyobb mennyiségben van, mint a szén, annak oka kell lennie, hogy inkább szerves (szénalapú), mint szilícium alapúak vagyunk - és ez az ok visszatér a periódusos rendszerbe. Anélkül, hogy túl részletes részletekbe menne, a Periódusos rendszerben függőlegesen alacsonyabb elemek nehezebb magokkal és nagyobb elektronhéjakkal rendelkeznek; a szilícium fizikailag nagyobb és nehezebb, mint a szén, így kevésbé alkalmas olyan szuperfinom feladatokra, mint például a rekombináns DNS. A szilícium kevésbé reaktív, mint a szén, ami azt jelenti, hogy a szilícium-alapú élet kémiailag kevésbé változatos lehet, vagy sokkal szélesebb reakció-hajtó szilícium-enzimeket igényelhet a kémiailag kevésbé kívánatos vegyületek létezéséhez.

Az a tény, hogy a Földön minden élet szerves, annak ellenére, hogy a bolygó szilíciumatomjai csaknem ezeregyet meghaladják a szénatomokat, jelezheti, hogy ez milyen valószínűséggel fordul elő az univerzum más részein. Rengeteg faj van itt, amely ilyen vagy olyan mértékben használja a szilíciumot, de egyik sem használja a DNS szerkezeti elemeként. A szilícium alapú élet minden bizonnyal lehetséges, de ha mégis létezik, akkor nagy az esély arra, hogy soha nem tudna olyan szintre lépni, hogy a szén itt otthon megengedte a komplexitás szintjét.

Szilícium és te

A szilícium még sok éven át folyamatosan felbukkan a hírcsatornájában. Még ha egyesek a szén és más nem szilícium elemeket is a következő generációs számítástechnika platformjának tekintik, amelyekre akkor lesz szükség, ha folytatni akarjuk a számítási teljesítmény exponenciális történelmi trendjét, a szilícium továbbra is sok területen a választott anyag. Találunk-e új és izgalmas módszereket az elektronkezelés szabályozására? Talán. Meg fogjuk találni, hogy ez az univerzum minden életének alapja, kivéve azt, amely a Földön alakult ki? Valószínűleg nem, bár lehetséges. Legalábbis közel sem vagyunk felhagyva épületgépészeti használatával, mivel a földkéreg túlnyomó részét jelentő kőzet alapja a szilíciumvegyületek.

Lehetséges, hogy magunk mögött hagyjuk a szilíciumot - de ez 20 évvel ezelőtt sem volt kevésbé lehetséges. Minden valószínűség szerint ez továbbra is az egyik legfontosabb anyag a fizikai világ emberi elsajátításának előrehaladásában.

Copyright © Minden Jog Fenntartva | 2007es.com