Mooreov zakon na novom raskrižju

U posljednje vrijeme brojne su priče o tome kako se Mooreov zakon bliži kraju. To nije osobito iznenađujuće - ljudi su predviđali njegovu smrt već doslovno desetljećima, a već sam se bavio tim pitanjima - ali rasprava je preuzela novi život. Priča u časopisu Nature , M. Mitchell Waldrop, potvrđuje ono što većina u industriji sumnja - da će se sljedeća generacija Međunarodne tehnološke mape za poluvodiče (ITRS) usredotočiti ne na smanjenje tranzistora, već na razvoj napretka čipova za određene aplikacije,

Mooreov zakon, naravno, zasnovan je na opažanju Gordona Moora (koji bi kasnije prešao u co-found Intel) u izdanju Electronics u travnju 1965. da se broj tranzistora u nekom procesoru svake godine udvostručuje. (Kopija je ovdje na mreži.) Do 1975. Godine pokazalo se da je ispravna, ali je svoju procjenu udvostručenja čipova promijenio na svake dvije godine, tempom što je industrija u posljednje vrijeme uglavnom slijedila.

1991. američka je industrija poluvodiča započela ono što bi postalo ITRS s doprinosima industrijskih grupa iz Europe, Japana, Tajvana i Južne Koreje. Tijekom godina, dosta je promjena u ovom planu puta. Do početka 2000-ih, ne samo da se broj tranzistora na čipu udvostručio svake generacije, takoder su porasle i brzine takta, što je također očito povećalo performanse. Čips je slijedio ono što se naziva Dennardovo skaliranje, na temelju rada iz 1974. godine koji je govorio da su performanse povećane otprilike istim faktorom pri istoj snazi, kako tranzistori skaliraju. No kad su čipovi postali ispod 90nm ili nešto više, oni su prestali raditi, a nakon što su čipovi dostigli 3GHz ili 4GHz, jednostavno su potrošili previše energije i pregrijali se. Umjesto da koriste brže jezgre, industrija se okrenula korištenju više jezgara, što djeluje na nekim aplikacijama, a na drugima. U međuvremenu, mobilni čipovi postali su popularniji, što sa sobom donosi zahtjev za još manju potrošnju energije.

Još jedna velika promjena dogodila se s materijalima. Tijekom većeg dijela ovog razdoblja, pile su uglavnom MOSFET-ovi ili tranzistori s efektom metaksida oksid-silicijum polja, što znači da su osnovni materijali bili prilično jednostavni. Tijekom proteklog desetljeća vidjeli smo uvođenje napregnutog silicijuma, metalnih vrata s visokim k i FinFET tehnologijama - sve metode za povećanje gustoće i performansi izvan onoga što tradicionalni materijali i dizajni mogu postići. Većina promatrača smatra da će nam, kako stižemo do proizvodnje od 7 nm i niže, trebati noviji alternativni materijali, poput silicij-germanija (SiGE) i arzijed gelijevog indija (InGaAs) i da ćemo s vremenom možda preći na drugu tranzistorsku strukturu kao što su vrata - oko tranzistora poznatih kao nanovodi.

Nedavno su litografski alati - oni koji svijetle svjetlima koja aktiviraju materijale na silikonskoj pločici da bi nacrtali obrasce dizajna iverica - također relativno statični, s tim da je imerzijska litografija od 193 nm već godinama standard. Bez njegove zamjene, poznate kao ekstremno ultraljubičasto (EUV) litografija, proizvođači čipova prisiljeni su koristiti višestruko oblikovanje, što povećava troškove. ASML i njegovi partneri rade na EUV-u već neko vrijeme, a čini se da je to usmjereno na 7nm proizvodnju.

Kombinacija kraja Dennardovog skaliranja, novih materijala i višestrukog uzorka povećali su troškove implementacije svake nove generacije tehnologije. I to je sve teže učiniti, a Intel je nedavno rekao kako su njegovi planovi za 10 nm bili dvije i pol godine nakon uvođenja 14nm, što znači da će se to dogoditi 2017. Samsung i TSMC također razgovaraju o pripremi 10nm čipova za masovnu proizvodnju u 2017, i moguće je da bi oni mogli čak i pobijediti Intel na ovaj čvor (mada, naravno, postoje pitanja u vezi s imenovanjem čvorova i jesu li njihovi procesi gusti kao Intelovi.)

Promjene plana ITRS-a ne negiraju da će se daljnje skaliranje još neko vrijeme događati, iako više ne na dvogodišnjoj kadenci na koju smo navikli, a dolaze realne fizičke granice. No, nova verzija - nazvana Međunarodna mapa puta za uređaje i sustave - očito umjesto toga naglašava različite vrste tehnologije za različite aplikacije, poput senzora, pametnih telefona i poslužitelja; i kombiniranje različitih vrsta tranzistora za različite stvari, kao što su 3D memorija, upravljanje napajanjem ili analogni signali.

Je li Mooreov zakon ovaj put stvarno mrtav? Sumnjam. Intel stalno izjavljuje da je "Mooreov zakon živ i zdrav", a oni i drugi daju dobre razloge zašto će se čipovi nastaviti guštati tijekom sljedećeg desetljeća ili slično, čak i ako troškovi i dalje rastu. Ali nema sumnje da ćemo primijetiti mnoge promjene u dizajnu čipova, kako se odmičemo sve dalje i dalje od koncepta jedinstvenog dizajna koji se sa sitnih uređaja skalira sve do podatkovnog centra. To znači da će se dizajneri čipova suočiti s nekim rizičnim odlukama i da će kupci morati biti još pažljiviji u odabiru.