Tietokoneet | Jo sata miljardia transistoria neliösenttimetrillä: ”Transistorien koossa lähestytään jo alarajaa.

Noin neliösenttimetrin kokoiselle mikrosirulle mahtuu jo sata miljardia transistoria, teknologiayhtiö IBM uutisoi kesällä.

Määrä on kaksi kertaa enemmän kuin yhtiön aikaisemmassa mikrosirussa.

Saavutus on jatkumoa jo 1960-luvulla esitetylle Mooren laille, jonka mukaan transistorien määrä mikrosirussa tuplaantuu kahden vuoden välein.

”Vauhti on kuitenkin 2020-luvulla hidastunut. Enää tuplaantumista ei tapahdu ihan kahden vuoden välein, ja esimerkiksi kyseinen IBM:n tekniikka saadaan heidän arvionsa mukaan tuotantoon vasta viiden vuoden päästä”, sanoo Helsingin yliopiston professori Mikko Ritala.

”Teknologisesti pienentäminen on yhä mahdollista, mutta taloudellisesti siinä ei ole juuri järkeä.”

Transistorit ovat tietokoneen perusrakennuspalikoita. Mitä tiheämmin niitä saadaan mikrosiruun pakattua, sitä tehokkaammin tietokone laskee.

Vielä 1960-luvulla maailman parhaaseen mikrosiruun mahtui vain joitain kymmeniä transistoreja. Silloin tietokoneet olivat usein kaappien kokoisia.

Perinteisesti laskentatehoa on kasvatettu transistorien kokoa pienentämällä.

Transistorit valmistetaan litografiaksi kutsutulla menetelmällä, jossa mikropiirin kuvioita kirjoitetaan piikiekolle valolla. Mitä lyhyempi valon aallonpituus, sitä pienempiä transistoreja pystytään valmistamaan.

Nykyisin edistyneimpien sirujen valmistuksessa käytetään äärimmäistä ultraviolettivaloa eli euv-valoa. Sen aallonpituus on 13,5 nanometriä eli lähes röntgensäteen luokkaa.

Sen avulla transistorien määrä mikrosirulla on saatu kasvatettua muutamaan kymmeneen miljardiin.

Tekniikka otettiin käyttöön lähes kymmenen vuotta sitten, eikä uutta lyhyempää aallonpituutta ole vielä näköpiirissä.

”Transistorien koossa lähestytään jo alarajaa. Teknologisesti pienentäminen on yhä mahdollista, mutta taloudellisesti siinä ei ole juuri järkeä. Uusi tehdas maksaa nykyisin yli 20 miljardia euroa ja uudella tekniikalla tuottavuus voi heikentyä entisestään”, Ritala sanoo.

IBM:n uudessa transistorissa myös sen kanava on rakennettu kerroksittain. Näitä rakennelmia on sirussa kaksi päällekkäin. Kuva: IBM

”Transistorien lisäksi itse mikrosiruja voidaan pinota päällekkäin.”

Kehitystä on tapahtunut sen sijaan transistorien pakkaustavassa.

Perinteisesti transistorit on sijoitettu piikiekon pinnalle vieretysten, mutta IBM:n insinöörit siirtyivät valmistuksessa kolmanteen ulottuvuuteen. He onnistuivat pinoamaan transistoreja kahteen kerrokseen päällekkäin.

Uutta IBM:n sirussa oli myös se, ettei transistoreja sijoitettu suoraan toistensa päälle vaan hieman limittäin. Tämä helpottaa niiden yhdistämistä toisiinsa ja vähentää energiankulutusta.

Limittäminen on monimutkaista puuhaa: kerroksia ei voi kuvioida samalla kertaa, toisin kuin suoraan toistensa päällä olevia transistoreja.

Sen sijaan tutkijat liittivät yhteen kaksi piikiekkoa, joihin transistorit tehtiin yksi kerros kerrallaan. Kuviointi täytyi tehdä parin nanometrin tarkkuudella.

Ritalan mielestä IBM:n saavutus on merkittävä, vaikka pinoaminen ei olekaan menetelmänä uusi. Esimerkiksi muistitikuissa on jo käytössä peräti 300 kerroksen transistorirakenteita.

”Nämä saavutukset eivät kuitenkaan ole verrannollisia, sillä muisteissa ei tarvita yhtä laadukkaita transistoreja kuin mikroprosessoreissa”, Ritala sanoo.

Hän uskoo, että tulevaisuudessa laskentatehon parantuminen liittyy pienentyvien transistorien sijaan juuri kolmiulotteiseen tekniikkaan.

”Transistorien lisäksi itse mikrosiruja voidaan pinota päällekkäin. Kaksi yhteen liitettyä mikrosirua tarkoittaa tuplasti laskentatehoa. Tässä tulee toki nopeammin raja vastaan, koska jo esimerkiksi kahdeksan mikrosirua alkaa näkyä laitteen koossa.”

Pinoamisen lisäksi lisätehoja voidaan saada uusista materiaaleista.

Jos pii vaihdettaisiin ominaisuuksiltaan parempaan puolijohteeseen, mikrosirun teho paranisi, vaikka transistorien määrä pysyisi samana.

”Näitä uusia materiaaleja tutkitaan parhaillaan. Vielä pitäisi ratkaista, miten niiden laatu pysyisi hyvänä piikiekon päälle tehtynä tai siirrettynä, ja miten ne saataisiin skaalattua tuotantomittakaavaan.”

Julkaistu Tiede-lehdessä 11/2026