Закон Мура на новому перехресті

Останнім часом існує ряд історій про те, як закон Мура закінчується. Це не особливо дивно - люди передрікали його смерть буквально десятиліттями, і я вже до цього звертався з питаннями, - але дискусія зайняла нове життя. Історія в журналі «Мітч Мітчелл Уолдроп» в журналі « Природа» підтверджує те, що більшість у галузі підозрює - що наступне покоління Міжнародної дорожньої карти технологій для напівпровідників (ITRS) буде зосереджено не на зменшенні транзисторів, а на розробці просування мікросхем для конкретних застосувань .

Закон Мура, звичайно, ґрунтується на спостереженні Гордона Мура (який згодом перейшов до співавтора Intel) у виданні Electronics у квітні 1965 року про те, що кількість транзисторів у процесорі щороку збільшувалася вдвічі. (Копія знаходиться в Інтернеті тут.) До 1975 року він виявився правильним, але змінив оцінку подвоєння чіпів на кожні два роки, темпи, в яких галузь дотримувалася останнім часом.

У 1991 році напівпровідникова індустрія США почала створювати ІТРС за рахунок внесків галузевих груп з Європи, Японії, Тайваню та Південної Кореї. Протягом багатьох років у цій дорожній карті відбулося багато змін. До початку 2000-х кількість транзисторів на мікросхемі не тільки подвоювалась у кожне покоління, також збільшувалась тактова частота, що також очевидно збільшувало продуктивність. Чіпи слідували за тим, що називалося масштабуванням Деннарда, на основі документа 1974 року, який говорив, що в міру масштабування транзисторів продуктивність збільшується приблизно за тим самим фактором при тій же потужності. Але коли мікросхеми потрапили нижче 90 нм або близько того, вони перестали працювати, і після того, як мікросхеми досягли 3 ГГц або 4 ГГц, вони просто використовували занадто багато енергії і занадто гарячі. Замість того, щоб використовувати більш швидкі сердечники, галузь перейшла до використання більшої кількості ядер, яка працює на деяких програмах, а не на інших. Тим часом мобільні мікросхеми стали більш популярними, що спричинило за собою ще більш низьке енергоспоживання.

Ще одна велика зміна відбулася з матеріалами. Більшу частину цього періоду мікросхеми були здебільшого MOSFET або транзисторами з польовим впливом метал-оксид-кремній, тобто основні матеріали були досить простими. Протягом останнього десятиліття ми спостерігали впровадження напруженого кремнію, металевих воріт високої k та технологій FinFET - всі методи для збільшення щільності та експлуатаційних характеристик за межами того, що можуть досягти традиційні матеріали та конструкції. Більшість спостерігачів вважають, що, коли ми дістаємося до виробництва 7 нм і нижче, нам знадобляться нові альтернативні матеріали, такі як германій кремній (SiGE) та арсенід галію галію (InGaAs), і що врешті ми можемо перейти до іншої транзисторної структури, такої як ворота - навколо транзисторів, відомих як нанопроводи.

Останнім часом літографічні інструменти - ті, що світять вогні, які активують матеріали на кремнієвій пластині, щоб намалювати візерунки конструкції мікросхем - також були відносно статичними, тому що літографія занурення 193 нм була стандартом протягом багатьох років. Без його заміни, відомої як екстремальна ультрафіолетова (EUV) літографія, виробники чіпів змушені використовувати багаторазове малювання, що збільшує витрати. ASML та його партнери вже деякий час працюють над EUV, і тепер, здається, націлені на виробництво 7nm.

Поєднання кінцевого масштабування Деннарда, нових матеріалів та багатошарових моделей збільшило витрати на впровадження технологій кожного нового покоління. І зробити це стало складніше: нещодавно Intel заявив, що його плани на 10 нм були два з половиною роки після впровадження 14 нм, це означає, що це відбудеться в 2017 році. І Samsung, і TSMC також говорять про підготовку 10-нм чіпів для масового виробництва в 2017, і цілком можливо, що вони можуть навіть перемогти Intel до цього вузла (хоча, звичайно, є питання щодо іменування вузлів та чи їх процеси такі ж щільні, як у Intel).

Зміни в дорожній карті ITRS не заперечують, що продовження масштабування відбуватиметься на деякий час, хоча вже не за дворічною каденцією, до якої ми звикли, і наближаються реальні фізичні обмеження. Але нова версія - під назвою Міжнародна дорожня карта пристроїв та систем - очевидно, натомість наголошує на різних технологіях для різних застосувань, таких як датчики, смартфони та сервери; і комбінування різних видів транзисторів для різних речей, таких як 3D-пам'ять, управління потужністю або аналогові сигнали.

То чи справді закон Мура справді мертвий? Я сумніваюся в цьому. Intel продовжує говорити, що «Закон Мура живий і здоровий», і вони та інші дають вагомі причини, чому чіпи будуть продовжувати густіти протягом наступного десятиліття, навіть якщо витрати продовжують зростати. Але немає сумнівів, що ми будемо спостерігати багато змін у дизайні мікросхем, коли ми рухаємось все далі і далі від концепції єдиного дизайну, який масштабується від крихітних пристроїв аж до центру обробки даних. А це означає, що дизайнери чіпів зіткнуться з деякими ризикованими рішеннями, і що замовники повинні бути ще більш уважними щодо вибору, який вони роблять.