Mooreov zakon na novem križišču

V zadnjem času je bilo več zgodb o tem, kako se Mooreov zakon bliža koncu. To ni posebej presenetljivo - ljudje napovedujejo njegovo smrt že dobesedno desetletja in sem se že loteval vprašanj, - a razprava je zaživela v novem življenju. Zgodba v reviji Nature, ki jo je napisal M. Mitchell Waldrop, potrjuje tisto, kar večina v industriji sumi - da se bo naslednja generacija Mednarodnega časovnega načrta za polprevodnike (ITRS) osredotočila ne na to, da bi tranzistorji postali manjši, temveč na razvoj napredka čipov za posebne aplikacije.

Mooreov zakon seveda temelji na opazovanju Gordona Moora (ki bo pozneje prešel k soustanovljenemu Intelu) v izdaji Electronics iz aprila 1965, da se je število tranzistorjev v procesorju vsako leto podvojilo. (Kopija je tukaj na spletu.) Do leta 1975 se je izkazalo za pravilno, vendar je oceno podvojitve žetonov spremenil na vsaki dve leti, s čimer je industrija v veliki meri sledila do nedavnega.

Leta 1991 je ameriška polprevodniška industrija začela s tistimi, ki bi postala ITRS, s prispevki industrijskih skupin iz Evrope, Japonske, Tajvana in Južne Koreje. Z leti se je ta načrt zelo spremenil. Do zgodnjih 2000-ih se število tranzistorjev na čipu ni povečalo samo za vsako generacijo, tudi hitrost takta se je povečala, kar je očitno povečalo tudi zmogljivost. Čipi so sledili tako imenovanemu Dennardovemu skaliranju, ki temelji na papirju iz leta 1974, ki je dejal, da se je s povečanjem tranzistorjev zmogljivost povečala za približno enak faktor pri isti moči. Ko pa so čipi dosegli manj kot 90 nm, so prenehali delovati in ko so čipi dosegli 3GHz ali 4GHz, so preprosto porabili preveč energije in se preveč segreli. Namesto da bi uporabljala hitrejša jedra, se je industrija obrnila na uporabo več jeder, kar deluje pri nekaterih aplikacijah, pri drugih pa ne. Medtem so mobilni čipi postali bolj priljubljeni, s seboj pa so zahtevali še manjšo porabo energije.

Še ena velika sprememba je prišla z materiali. V večini tega obdobja so bili čipi večinoma MOSFET ali tranzistorji s kovinskim oksidom in silicijem s poljskim učinkom, kar pomeni, da so bili osnovni materiali dokaj enostavni. V zadnjem desetletju smo videli uvedbo napetega silicija, visoko-k kovinskih vrat in tehnologij FinFET - vse metode za povečanje gostote in zmogljivosti zunaj tistega, kar bi lahko dosegli tradicionalni materiali in modeli. Večina opazovalcev meni, da bomo, ko bomo prišli do proizvodnje 7 nm in manj, potrebovali novejše nadomestne materiale, kot sta silicij germanij (SiGE) in arzijev indijev galij (InGaAs) in da se bomo sčasoma lahko premaknili v drugačno tranzistorsko strukturo, kot so vrata - okoli tranzistorjev, imenovanih nanowires.

V zadnjem času so litografska orodja - tista, ki svetijo luči, ki aktivirajo materiale na silikonski rezini, da narišejo vzorce oblikovanja čipov - tudi relativno statična, saj je 193 nm potopna litografija že vrsto let standard. Brez njegove zamenjave, znane kot ekstremna ultravijolična (EUV) litografija, so izdelovalci čipov prisiljeni uporabljati večkratno vzorčenje, kar poveča stroške. ASML in njegovi partnerji že nekaj časa delajo na EUV in zdaj se zdi, da je usmerjena v 7nm proizvodnjo.

Kombinacija koncepta skaliranja Dennarda, novih materialov in večplastninjenja so povečali stroške uvajanja vsake nove generacije tehnologije. In to je še težje, saj je Intel nedavno povedal, da so bili njegovi načrti za 10 nm dve leti in pol po uvedbi 14 nm, kar pomeni, da se bo to zgodilo leta 2017. Samsung in TSMC prav tako govorita o pripravi 10nm čipov za množično proizvodnjo v 2017 in mogoče je, da bi morda celo premagali Intel na to vozlišče (čeprav seveda obstajajo vprašanja o poimenovanju vozlišč in ali so njihovi procesi tako gosti kot Intelovi.)

Spremembe načrta ITRS ne zanikajo, da se bo nadaljnje spreminjanje spreminjalo še nekaj časa, čeprav ne več na dvoletni prekinitvi, ki smo je vajeni, in prihajajo resnične fizične omejitve. Toda nova različica - imenovana Mednarodni načrt za naprave in sisteme - očitno namesto tega poudarja različne vrste tehnologije za različne aplikacije, kot so senzorji, pametni telefoni in strežniki; in kombiniranje različnih vrst tranzistorjev za različne stvari, kot so 3D pomnilnik, upravljanje porabe energije ali analogni signali.

Je Mooreov zakon tokrat res mrtev? Dvomim. Intel trdi, da je "Mooreov zakon živ in zdrav", zato tudi oni in drugi navajajo dobre razloge, da bodo čipi v prihodnjem desetletju čedalje gostejši, čeprav se stroški še naprej povečujejo. Vendar ni dvoma, da bomo pri oblikovanju čipov doživeli veliko sprememb, ko se oddaljimo vse dlje od koncepta enotnega dizajna, ki sega od drobnih naprav vse do podatkovnega centra. To pomeni, da se bodo oblikovalci čipov spopadli z nekaterimi tveganimi odločitvami in da bodo stranke morale biti še bolj previdne pri izbiri.