Размышляя о будущем закона Мура

В этой гостевой колонке Эрик Гулликсен, старший аналитик VDC Research, размышляет о будущем закона Мура, который в 1965 году предсказал, что число транзисторов в интегральной схеме будет удваиваться примерно каждые два года.
Несмотря на прогнозы о том, что закон Мура не может продолжаться бесконечно, все же есть повод для оптимизма.

Закон Мура - куда мы идем отсюда?

Эрик Гулликсен

Если вы жили под обломком и не знаете этого, в 1965 году соучредитель Intel Гордон Э. Мур (фото которого показано выше) предсказал, что число транзисторов в интегральной схеме будет удваиваться примерно каждые два года. ,
Эмпирически основанный на экономических и технических факторах, его наблюдения и выводы были настолько точными, что ему было присвоено название « Закон Мура» . Некоторые ученые мужи постоянно предсказывают, что мы приближаемся к концу пути, и что тенденция не может продолжать, потому что технология миниатюризации достигнет своего предела.
(Следует отметить, что в законе Мура не указан размер кристалла ИС; по логике можно уместить больше транзисторов на кристалле большего размера - но это уже другая история.)

Архитектура Ivy Bridge, в которой используется 22-нанометровый процесс изготовления, включает в себя продукты Intel на 2012 год. Ожидается, что в 2013 году появится микроархитектура следующего поколения фирмы под кодовым названием Haswell, которая продолжит использовать 22-нм техпроцесс.
В 2014 году процесс будет сокращен до 14 нм с Розуэллом.
В будущем процесс, как ожидается, сократится еще больше, сократившись до 10 нм к 2018 году.

Как долго это может продолжаться?

Ну, конечно, есть, по крайней мере, один реальный предел - размер самих транзисторов.
Объединенная команда исследователей из Университета Нового Южного Уэльса, Университета Мельбурна и Университета Пердью недавно создала функциональный транзистор, состоящий из одного атома фосфора.
Кроме того, они также разработали проволоку, изготовленную из комбинации фосфора и кремния, высотой один атом и шириной четыре атома, которая ведет себя как медная проволока.
Конечно, эта технология далека от практической на данный момент, так как она должна поддерживаться при температуре минус 391 градус по Фаренгейту, но она показывает, что это возможно.

По мере того как схемы становятся все меньше и меньше, в игру вступают другие законы физики, что вызывает дополнительные технические проблемы.
Доктор Мичио Каку (конечно, вы видели его по телевизору - если нет, вы должны!) Из CCNY говорит, что, как только транзисторы уменьшатся до 5 атомов в ширину (по прогнозам на 2020 год), в игру вступит принцип неопределенности Гейзенберга.
Это говорит о том, что невозможно узнать и положение, и скорость любой частицы;
что один может знать только один или другой.
Таким образом, никто не может точно знать, где на самом деле находится электрон, и поэтому не может ограничить его проводом.
Поскольку свободным электронам нельзя позволять прыгать в любой логической схеме, потому что они могут вызвать короткие замыкания (или, по крайней мере, логические ошибки), это может оказаться практическим ограничением.

Однако некоторые ученые предположили, что снижение этих размеров может позволить развить истинные квантовые вычисления, в которых информация обрабатывается на более чем двоичном уровне.
Это еще предстоит выяснить.

Промежуточные решения

До сих пор я говорил об одноатомных транзисторах.
Хотя один (считай - один) на самом деле был создан, технология еще далека от повсеместного распространения.

Однако, как и глобальное потепление и изменение климата, одноатомная «стена» реальна.
И мы быстро приближаемся к этому.
Использование графических процессоров для вычислений общего назначения - это защита от стены;
они имеют гораздо больше транзисторов, чем обычные процессоры, и облегчают параллельные вычисления.
Intel, NVIDIA и AMD все используют этот подход к суперкомпьютерам.
Но это не долгосрочное решение;
Графические процессоры сталкиваются с той же стеной.

Intel продвигается к пределу закона Мура совместными усилиями с несколькими внешними фирмами.
Intel инвестировала 4,1 миллиарда долларов США в ASML, голландского производителя полупроводникового оборудования.
Инвестиции в конечном итоге принесут Intel 15% -ную долю ASML и предоставят 3,3 млрд. Долл. США для НИОКР для практической реализации «экстремальной ультрафиолетовой литографии» или EUVL (с использованием сверхкоротких длин волн УФ-света для процесса травления) разработать 450-мм пластины (в отличие от современных 300-мм пластины).
Первый позволит 10-нм процессам, а второй сократит производственные затраты.

И Intel не единственная;
Samsung последовала их примеру, вложив средства в ASML, и Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. (TSMC) также сделала значительные инвестиции.
TSMC претендует на звание крупнейшего в мире независимого завода по производству полупроводников, и, хотя в настоящее время они строят три 300-мм пластины, их текущее производство ограничено до 200 мм.

Увеличение плотности транзисторов за счет уменьшения их размеров - это только один из способов борьбы с приближающейся стеной.
TSMC и один из ее конкурентов, GlobalFoundries (GloFo), а также Intel и другие обычные подозреваемые активно внедряют технологию трехмерных чипов.
3-D чипы были сделаны;
В архитектуре Intel Ivy Bridge используется технология 3D.
Трехмерные транзисторы, называемые FinFET, обещают как увеличение скорости, так и снижение энергопотребления.

3-D микросхемы

На подходе трехмерные интегральные схемы, которые позволят значительно увеличить плотность транзисторов на заданной планарной площади.
Однако их изготовление не является тривиальным вопросом.
Ранние версии включали укладку игральных костей друг на друга с изоляционным слоем между ними и соединение матриц с помощью довольно трудоемкого процесса.
Это называлось «Chip Stack MCM» и не давало «настоящего» трехмерного чипа.
Но к 2008 году технология трехмерной микросхемы достигла такой степени, что были определены четыре типа:

  1. Монолитный, в котором компоненты и их соединения были построены слоями на одной пластине, которую затем нарезали кубиками на трехмерные кристаллы.
    Эта технология была предметом гранта DARPA, исследования проводились в Стэнфордском университете.
  2. Пластина на пластине, в которой компоненты построены на отдельных пластинах, которые затем выровнены, соединены и нарезаны кубиками на трехмерные ИС.
    Вертикальные соединения содержат «сквозные кремниевые переходы» (TSV), которые могут быть либо встроены в пластины перед соединением, либо созданы в стеке после соединения.
    Этот процесс сопряжен с техническими трудностями, не последним из которых является относительно низкий выход.
  3. Die-on-Wafer, где компоненты построены на двух пластинах.
    Затем один нарезанный кубиками, с отдельными кубиками, выровненными и прикрепленными к участкам на второй пластине.
    Создание TSV может быть сделано до или после склеивания.
    Дополнительные слои могут быть добавлены до окончательной нарезки.
  4. Die-on-Die, где компоненты построены на нескольких кубиках, которые затем выравниваются и соединяются.
    TSV могут быть созданы до или после склеивания.

Существуют очевидные технические трудности и подводные камни, независимо от того, какой подход используется.
К ним относятся коэффициенты доходности (один дефектный кубик может сделать весь стек бесполезным);
тепловые проблемы (вызванные плотностью компонентов);
сложность автоматизации производства;
и отсутствие стандартов.

По мнению моего непрофессионала, может потребоваться новый подход к трехмерным технологиям, прежде чем он станет действительно жизнеспособным.
В настоящее время компоненты строятся на пластинах путем выборочного удаления материала.
Конструкция трехмерной стружки может быть упрощена за счет избирательного осаждения материала, а не его удаления.
Тем не менее, это за пределами современного состояния.

Однако, когда мы смотрим на биологические эквиваленты, становится ясно, что мозг - это трехмерная структура.
Я сомневаюсь, что настоящий искусственный интеллект может быть реализован в относительно небольшой упаковке без разработки настоящих трехмерных чипов.
Закон Мура в конечном итоге остановит дальнейшее развитие технологии плоских чипов.

Углеродных нанотрубок и малых групп атомов

Пока что мы затронули множество новых разработок, которые могут позволить продолжить миниатюризацию, несмотря на предсказания гибели некоторых экспертов.
Мы говорили о некоторых интересных вещах, таких как одноатомные транзисторы, трехмерные ИС и экстремальная ультрафиолетовая литография.

Хотя общепринятым считается ограничение кремниевых транзисторов на уровне около 11 нм, некоторые представители Intel говорят, что у них есть решение для сжатия кремния до 10 нм, и думают, что они могут достигать 5 нм.
Но научно-фантастический орех во мне больше всего очарован новыми разработками в IBM и Беркли.

Земная жизнь, поскольку мы знаем это, конечно, основана на углероде.
Авторы SF - и, действительно, некоторые ученые - предположили, что, поскольку углерод и кремний обладают многими химическими свойствами (например, способностью образовывать длинноцепочечные полимеры), возможно, будет возможно не только получить органическую химию на основе кремния. , но на самом деле иметь жизнь на основе кремния где-то в этой удивительной и бесконечной вселенной.
Интересно, но пока еще научная фантастика.

Тем не менее, что, если бы мы перевернули это и взглянули на углерод и кремний под другим углом?
По сути, это то, что происходит в IBM, Беркли и других исследовательских центрах.

Как мы все знаем, современные полупроводниковые технологии основаны на кремнии.
Но что если мы заменим углерод кремнием?
Можно ли создать углеродные полупроводники?
Атомы углерода намного меньше, чем их кремниевые аналоги, так что это может привести к невообразимой миниатюризации.

Сотрудники IBM успешно изготовили и оценили структуру, включающую массив из 10 000 транзисторов с углеродными нанотрубками на одной подложке.
По сути, углеродная нанотрубка представляет собой лист углерода толщиной в один атом, свернутый в трубку.
Обычно они выглядят как смесь металлических и полупроводниковых типов, но для создания вычислительного устройства металлические типы должны быть удалены.
И, как будто это не было достаточно жестко, размещение и выравнивание труб на подложке должно быть точно контролировано.
IBM удалось сделать это, используя химию ионного обмена.
Исследователи из Беркли смогли совершить подобный подвиг, создавая гибкие и растягивающиеся массивы, которые демонстрируют большие перспективы для таких разработок, как складные электронные прокладки, покрытия, которые могут контролировать поверхности на наличие трещин и других потенциальных отказов, «умную» одежду и даже искусственную электронику. кожа.

Предполагается, что массивы транзисторов из углеродных нанотрубок, которые могут быть получены с помощью существующих производственных процессов, могут давать структуры ЦП, которые не только намного меньше своих кремниевых аналогов, но в пять-десять раз быстрее, чем современные кремниевые чипы.

Мне не ясно, может ли одна нанотрубка нести только один транзистор, или возможно ли изготовить много транзисторов в разных местах на поверхности одной нанотрубки.
Хотя последний может быть не выполнимым сегодня, кто может сказать, что будет возможно завтра?

Ученые IBM также смогли определить, что для магнитного хранения одного бита информации требуется всего двенадцать атомов.
Это достигается путем точного выравнивания их магнитных свойств таким образом, чтобы они не мешали другим группам атомов, расположенных поблизости.
Предполагается, что эта технология может увеличить плотность магнитного накопителя на жестком диске в 100 раз.

Я полагаю (хотя это чистое предположение), что также возможно создать сверхплотное хранилище за счет использования углеродных нанотрубок.
И, поскольку нанотрубки по своей природе являются трехмерными структурами, они также могут использоваться для изготовления трехмерных чипов.

Что бы ни случилось, мне ясно две вещи.
Во-первых, мы еще не подошли к концу миниатюризации, и, во-вторых, способность производить вычислительные устройства с человеческими или даже сверхчеловеческими вычислительными возможностями может быть довольно близка.
Может ли разработка действительно интеллектуальных машин, способных как воспроизводить, так и развиваться, быть так далеко?
Я, конечно, надеюсь, что я все еще рядом, чтобы увидеть это.

Об авторе: Эрик Гулликсен в течение десяти лет был ведущим аналитиком в области встраиваемого оборудования VDC.
До прихода в VDC он проработал в отрасли более тридцати лет, наполовину в области проектирования, наполовину в сфере продаж и маркетинга, и занимал руководящие должности в обоих.

(Содержание этого поста защищено авторским правом © 2012-2013 VDC Research Group Inc. , и было воспроизведено HardLinux с разрешения. )