Mooreov zákon na novej križovatke

V poslednej dobe sa objavilo veľa príbehov o tom, ako končí Mooreov zákon. To nie je nijak zvlášť prekvapujúce - ľudia predpovedali jeho zánik doslova desaťročia, a už som sa venoval týmto otázkam - diskusia však začala nový život. Príbeh v časopise Nature od M. Mitchella Waldropa potvrdzuje to, čo najviac v odvetví má podozrenie - že budúca generácia Medzinárodnej technologickej mapy pre polovodiče (ITRS) sa nebude zameriavať na zmenšenie tranzistorov, ale skôr na vývoj čipov pre konkrétne aplikácie.,

Mooreov zákon je, samozrejme, založený na pozorovaní Gordona Moorea (ktorý by sa neskôr stal spoluzakladateľom spoločnosti Intel), vo vydaní spoločnosti Electronics z apríla 1965, že počet tranzistorov v procesore sa každý rok zdvojnásobuje. (Kópia je tu online.) Do roku 1975 sa preukázalo, že je správny, ale zmenil svoj odhad zdvojnásobenia čipov na každé dva roky, čo tempo, ktorým sa priemysel do veľkej miery držal donedávna.

V roku 1991 začalo odvetvie polovodičov v USA to, čo by sa stalo ITRS, s príspevkami od priemyselných skupín z Európy, Japonska, Taiwanu a Južnej Kórey. V priebehu rokov došlo k mnohým zmenám tohto plánu. Až do začiatku 2000-tych rokov sa počet tranzistorov na čipe zdvojnásobil na každú generáciu, zvýšili sa aj taktovacie frekvencie, čo tiež výrazne zvýšilo výkon. Čipy nasledovali to, čo sa nazýva Dennardovo škálovanie, na základe papiera z roku 1974, v ktorom sa uvádza, že ako sa škálovali tranzistory, výkon sa zvýšil približne o rovnaký faktor pri rovnakej sile. Keď však čipy klesli pod 90nm, prestalo to fungovať a keď čipy dosiahli 3GHz alebo 4GHz, jednoducho použili príliš veľa energie a boli príliš horúce. Namiesto použitia rýchlejších jadier sa priemysel obrátil na používanie väčšieho počtu jadier, ktoré pracuje na niektorých aplikáciách, ale na iných nie. Medzitým sa mobilné čipy stali populárnejšími, čo so sebou prinieslo požiadavku na ešte menšie využitie energie.

Ďalšia veľká zmena prišla s materiálmi. Väčšinu tohto obdobia boli čipy väčšinou MOSFETy alebo tranzistory s kovovým oxidom a kremíkom, čo znamená, že základné materiály boli pomerne jednoduché. Počas uplynulého desaťročia sme videli zavádzanie technológií s napäteným kremíkom, kovovými bránami s vysokým obsahom k a technológie FinFET - všetky metódy na zvýšenie hustoty a výkonu nad rámec toho, čo by tradičné materiály a dizajny mohli dosiahnuť. Väčšina pozorovateľov si myslí, že keď sa dostaneme k 7nmovej výrobe a nižšej, budeme potrebovať novšie alternatívne materiály, ako je kremík germánium (SiGE) a indium gallium arsenid (InGaAs), a že nakoniec sa môžeme presunúť na inú tranzistorovú štruktúru, ako je brána-všetko - okolo tranzistorov známych ako nanowire.

V poslednej dobe boli litografické nástroje - tie, ktoré žiaria svetlami, ktoré aktivujú materiály na kremíkovej doštičke, aby nakreslili vzory dizajnu čipu - tiež relatívne statické, s 193nm ponornou litografiou už roky štandard. Bez jeho nahradenia, známeho ako extrémna ultrafialová (EUV) litografia, sú výrobcovia čipov nútení používať viacnásobné vzory, čo zvyšuje náklady. ASML a jeho partneri už nejaký čas pracujú na EUV a zdá sa, že sa teraz zameriava na 7-hodinovú výrobu.

Kombinácia konca škálovania Dennardu, nových materiálov a viacnásobného modelovania zvýšila náklady na zavedenie každej novej generácie technológie. A to sa stalo ťažším, pretože spoločnosť Intel nedávno uviedla, že jej plány na 10 nm boli dva a pol roka po zavedení 14 nm, čo by sa malo stať v roku 2017. Samsung aj TSMC tiež hovoria o tom, ako pripraviť 10nm čipy na sériovú výrobu v 2017 a je možné, že môžu dokonca poraziť Intel do tohto uzla (samozrejme, sú tu otázky týkajúce sa pomenovávania uzlov a toho, či sú ich procesy rovnako husté ako procesy Intelu).

Zmeny v cestovnej mape ITRS nepopierajú, že k určitému časovému odstupu dôjde aj naďalej, aj keď už k dvojročnej kadencii, na ktorú sme boli zvyknutí, a so skutočnými fyzickými obmedzeniami už ďalej. Nová verzia s názvom Medzinárodná cestovná mapa pre zariadenia a systémy však zjavne zdôrazňuje rôzne druhy technológií pre rôzne aplikácie, ako sú senzory, smartfóny a servery; a kombinovanie rôznych druhov tranzistorov pre rôzne veci, ako je napríklad 3D pamäť, správa napájania alebo analógové signály.

Takže je Mooreov zákon skutočne mŕtvy? Pochybujem. Intel stále hovorí: „Mooreov zákon je nažive a dobre“ a oni a iní dávajú dobré dôvody, prečo sa čipy budú v nasledujúcom desaťročí stále hustejšie, a to aj napriek zvyšujúcim sa nákladom. Ale niet pochýb o tom, že uvidíme veľa zmien v dizajne čipov, pretože sa pohybujeme ďalej a ďalej od koncepcie jediného dizajnu, ktorý meria váhu od malých zariadení až po dátové centrum. To znamená, že návrhári čipov budú čeliť niektorým riskantným rozhodnutiam a že zákazníci budú musieť byť pri výbere ešte opatrnejší.