Закон Мура. Прогресс не стоит на месте

О законе


В далеком 1965 году один из основателей компании Intel Гордон Мур обратил внимание на то что число электронных компонентов в интегральных схемах удваивается примерно каждые 12 месяцев. В 1965 г. самая низкая стоимость одного транзистора достигалась при 50‑ти транзисторах на одной микросхеме; Мур предположил, что в 1970 г. оптимальное количество достигнет 1 000 транзисторов на микросхему, а цена за транзистор снизиться до 90 центов. Немного добавив и упростив, это наблюдение стали называть «Законом Мура»: количество транзисторов на одну микросхему будет удваиваться каждые 12 месяцев.
Закон Мура

В этих наблюдениях не было ни какой необходимости. Гордон Мур просто зафиксировал текущее положение дел в индустрии электроники. Крупные компании приняли это наблюдение не только как описание ситуации и предположение о будущем, но и как имеющий силу, директивный закон — цель, к которой должна стремиться вся промышленность.

Производство даже самой простой кремниевой микросхемы сложный процесс, который включает в себя: оборудование, программное обеспечение и сырьё, и всё это исходит от нескольких разных компаний. Для синхронизации работы отдельных отдельный предприятий и обеспечения Закона Мура, представители индустрии публиковали графики появления технологий и переходов на новые уровни, необходимых для соблюдения Закона Мура. Объединение полупроводниковой промышленности, состоящая в основном из крупных компаний Северной Америки и включающая фирмы Intel, AMD, TSMC, GlobalFoundries и IBM, начала публиковать такие графики в 1992 г., а в 1998 г. к ассоциации присоединилось множество организаций со всего мира, чтобы составить Международный план по развитию полупроводниковой технологии. Последний план был опубликован в 2013 г.

Ошибки с законом уже начинали появляться на ранних стадиях. В 1975 г., собрав больше фактических данных, Гордон Мур внёс изменения в закон: время удвоения он увеличил с 12 месяцев до 24. На протяжении тридцати лет простое пропорциональное уменьшение геометрических размеров — уменьшение всех элементов на микросхеме — обеспечило стабильное соблюдение предсказаний Мура.

21 век


Закон мура

В самом начале 21 века стало ясно, что пропорциональное уменьшение размеров уже подходит к своему логическому концу, но были разработаны новые технические способы для продолжения движения по кривой закона. При создании 90 нм микросхемы был применён напряжённый кремний, при 45 нм — новые материалы для увеличения ёмкости каждого транзистора, наслоённого на кремний. При 22 нм были использованы транзисторы с тройным затвором.

Но и эти технологии исчерпали свои возможности. Существуют большие сложности с процессом фотолитографии, используемой для переноса топологии микросхемы на кремниевую подложку: применяемый сегодня свет с длиной волны в 193 нм позволяет достичь разрешения в 14 нм. Использование света с меньшей длиной волны возможно, но усложняет производственный процесс и увеличивает его стоимость. Продолжительное время была надежда на фотолитографию в глубоком ультрафиолете (экстремальная ультрафиолетовая литография — ЭУФ), в которой используется источник с длиной волны в 13,5 нм, позволит преодолеть это ограничение, но готовые к внедрению в производство технологии ЭУФ обнаружили множество сложностей, связанных с их наладкой.

Даже при использовании ЭУФ всё равно не ясно, насколько ещё возможно уменьшать размеры элементов; при 2 нм транзисторы будут всего 10 атомов в ширину, и вряд ли они будут надёжно работать при таких размерах. Но даже при решении проблем размеров возникает новая проблема связанная с большим энергопотреблением и рассеиванием мощности.

Новые технологии такие как напряжённый кремний и транзисторы с тройным затвором, потребовали больших временных затрат. На их внедрение ушло более 10 лет. Разговоры об ЭУФ идут уже ещё дольше. Присутствует также важный фактор стоимости. У Закона Мура есть неприятный аналог — Закон Рока (по имени Артура Рока), в котором говорится, что стоимость фабрик по производству микросхем удваивается каждые 4 года. Можно разработать технологии для увеличения количества транзисторов на микросхеме, но производство соответствующего оборудования может обойтись в запредельную сумму. Ситуация усложняет рост использования более простых и дешёвых процессоров.

Мы могли наблюдать как у компаний возникают проблемы по этим причинам. В планах компании Intel перейти на техпроцесс в 10 нм в 2016 г. с процессорами Cannonlake — переведённой на более тонкий техпроцесс версией 14‑нанометрового процессора Skylake, который поставляется в настоящее время. В июле прошлого года компания изменила свои планы. Выпуск Cannonlake с 10‑нанометровым процессом не отменены, но не ожидаются раньше второй половины 2017 г.

Всё это усугубляется тем, что всё большее количество транзисторов становится всё сложнее применить. В 1980‑х и 1990‑х значение дополнительных транзисторов было очевидным: процессор Pentium был гораздо быстрее процессора 486, Pentium II — гораздо быстрее Pentium и т. д., и т. п. Выполнение вычислительной задачи существенно ускорялось просто за счёт замены процессора, благодаря более быстрому процессору (учитывая развитие от простых процессоров с выполнением инструкций по порядку до сложных суперскалярных с внеочередным исполнением) и благодаря более высокой частоте. В 2000-х развитие в этих направлениях остановилось. Из-за проблем с тепловыделением рост частоты, по большому счёту, прекратился, а повышение производительности каждого отдельного процессорного ядра происходит лишь небольшими порциями. Взамен стали появляться несколько процессорных ядер на одной микросхеме. Это приводит к росту общей теоретической производительности процессора, но в реальности задействовать эти мощности на исполнение программного обеспечения довольно сложно.

Эти трудности означают, что план на основе Закона Мура больше не актуален. В 2014 г. создатели Международного плана по развитию полупроводниковой технологии решили, что следующий выпуск плана не должен соответствовать закону, а в научном журнале Nature («Природа») сообщили, что следующий план, ожидаемый к выходу в грядущем месяце, будет основаться на другом подходе.

Больше, чем закон Мура


Вместо того, чтобы сконцентрировать внимание на технологиях, применяемых в микросхеме, для создания нового плана будет использоваться подход под названием «Больше, чем закон Мура» («More than Moore»). Рост количества смартфонов и Интернета вещей, например, привёл к тому, что широкий спектр датчиков и процессоров с низким энергопотреблением теперь является важным ориентиром для компаний, производящих микросхемы. Использование высокоинтегрированных процессоров в таких устройствах привело к необходимости создания процессоров, содержащих не только логику и кеш, но и ОЗУ, регулятор мощности, аналоговые модули для навигационных систем, сотовой связи и Wi‑Fi или даже микроэлектромеханические элементы, как гироскопы и акселерометры.

Эти различные компоненты обычно используют разные процессы производства и предъявляют к ним разные требования, поэтому новый план будет содержать программу действий для объединения всего этого множества. Для интеграции различных производственных процессов и для использования различных материалов потребуются новые процессы и поддерживающие технологии. Производителям микросхем для этих новых рынков, внимание к таким вопросам, вероятно, более насущно, чем покорное удвоение количества транзисторов в процессорной логике.

Также будет уделено внимание новым технологиям, не связанным с используемыми сегодня техпроцессами для КМОП. Компания Intel уже объявила, что не будет использовать кремний для 7 нм. Антимонид индия (InSb) и арсенид индия‑галлия (InGaAs) кажутся перспективными и демонстрируют бо́льшую скорость переключения и меньшее энергопотребление, чем кремний. Продолжаются исследования углерода, как в форме нанотрубок, так и в виде графена, так что здесь также ещё могут быть достигнуты высокие показатели.

В это же время, уменьшение размеров, хотя и с более низким приоритетом, всё же остаётся в плане. Вслед за транзисторами с тройным затвором появятся, возможно, в районе 2020 г., транзисторы с круговым затвором и нанопровода. К середине 2020‑х — монолитные трёхмерные микросхемы, в которых многослойные компоненты встроены в единый цельный кристалл кремния.

Дальнейшее уменьшение схем еще остается актуальной. Использование альтернативных материалов, различных квантовых эффектов или даже таких экзотических технологий, как сверхпроводимость, может снова позволить с лёгкостью масштабировать микросхемы, как это было на протяжении десятилетий, или, может быть, вернуть времена, когда уменьшение происходило с преодолением трудностей, как в последние пятнадцать лет. Возможно, по какой-то существенной причине снова возникнет потребность в процессорах, которые просто быстрее, а не компактнее и потребляют меньше энергии.

Тем не менее на сегодня несоблюдение закона становится нормой. Времена, когда Закон Мура определял будущее развитие событий и был руководством к действию, прошли.