Mooren laki uudella tienristeyksellä

Viime aikoina on ollut useita tarinoita siitä, kuinka Mooren laki on loppumassa. Se ei ole erityisen yllättävää - ihmiset ovat ennustaneet sen loppumista kirjaimellisesti vuosikymmenien ajan, ja olen käsitellyt asioita aiemmin - mutta keskustelu on saanut uuden elämän. M. Mitchell Waldropin Nature- lehden tarina vahvistaa sen, mitä teollisuudessa eniten epäiltiin - että puolijohteiden kansainvälisen teknologian etenemissuunnitelman (ITRS) seuraavan sukupolven painopiste ei ole transistorien pienentämisessä vaan pikemminkin sirujen kehityksen kehittämisessä erityisiä sovelluksia varten.

Mooren laki perustuu tietysti Gordon Mooren (joka myöhemmin jatkaa Intelin perustamista) huhtikuussa 1965 julkaiseman Electronicsin huomautukseen , jonka mukaan prosessorin transistorien määrä kaksinkertaistui vuosittain. (Kopio on verkossa täällä.) Vuoteen 1975 mennessä hän oli osoittautunut oikeaksi, mutta muutti arvionsa sirujen kaksinkertaistumisesta kahden vuoden välein, vauhdissa, jota teollisuus noudatti pitkälti viime aikoihin asti.

Vuonna 1991 yhdysvaltalainen puolijohdeteollisuus aloitti ITRS: stä tulevan teollisuusryhmien tuella Euroopasta, Japanista, Taiwanista ja Etelä-Koreasta. Vuosien mittaan tähän etenemissuunnitelmaan on tehty paljon muutoksia. 2000-luvun alkuun saakka transistorien lukumäärä paitsi kaksinkertaistui sirulla jokaisen sukupolven ajan, myös kellonopeudet nousivat, mikä myös selvästi paransi suorituskykyä. Sirut seurasivat nimeltään Dennard-skaalaus, joka perustui vuoden 1974 paperiin, jossa sanottiin, että transistorien mitoittaessa suorituskyky kasvoi suunnilleen samalla kertoimella samalla voimalla. Mutta kun sirut laskivat alle noin 90nm: n, ne lakkasivat toimimasta, ja kun sirut saavuttivat 3GHz: n tai 4GHz: n, he käyttivät yksinkertaisesti liian paljon virtaa ja kuumenivat liian paljon. Sen sijaan, että käytettäisiin nopeampia ytimiä, teollisuus kääntyi käyttämään enemmän ytimiä, mikä toimii joissain sovelluksissa, mutta ei toisissa. Samanaikaisesti matkapuhelimista tuli suosittuja, mikä vaatii entistä pienemmän virrankäytön.

Toinen iso muutos tapahtui materiaaleilla. Suurimman osan tästä ajanjaksosta sirut olivat enimmäkseen MOSFET: iä tai metalli-oksidi-piitäntäkenttä-transistoreita, eli perusmateriaalit olivat melko yksinkertaisia. Kuluneen vuosikymmenen aikana olemme ottaneet käyttöön kireät pii-, korkea-k-metalliportit ja FinFET-tekniikat - kaikki menetelmät tiheyden ja suorituskyvyn lisäämiseksi yli sen, mitä perinteiset materiaalit ja mallit voisivat suorittaa. Useimmat tarkkailijat ajattelevat, että kun saavutamme 7 nanometrin tuotantoon ja sen alapuolelle, tarvitsemme uudempia vaihtoehtoisia materiaaleja, kuten pii-germanium (SiGE) ja indium-gallium-arsenidi (InGaAs), ja että lopulta voimme siirtyä erilaiseen transistorirakenteeseen, kuten gate-all - nanorajoiksi kutsutut kiertotransistorit.

Viime aikoina litografiatyökalut - ne, jotka loistavat valot, jotka aktivoivat piikiekon materiaaleja sirun suunnittelun kuvioiden piirtämiseksi - ovat myös olleet suhteellisen staattisia, ja 193 nm: n upotus litografia on ollut standardi vuosien ajan. Ilman sen korvaamista, joka tunnetaan nimellä ultravioletti (EUV) litografia, siruvalmistajat pakotetaan käyttämään useita kuvioita, mikä lisää kustannuksia. ASML ja sen kumppanit ovat työskennelleet EUV: n parissa jo jonkin aikaa, ja se näyttää nyt kohdistuvan 7nm: n tuotantoon.

Dennard-mittauksen lopun, uusien materiaalien ja monikuvioiden yhdistelmä ovat lisänneet uuden tekniikan sukupolven käyttöönoton kustannuksia. Ja se on tullut entistä vaikeammaksi, koska Intel sanoi hiljattain, että sen 10nm: n suunnitelmat olivat kaksi ja puoli vuotta 14nm: n käyttöönoton jälkeen, mikä tarkoittaa, että tämä tapahtuu vuonna 2017. Samsung ja TSMC puhuvat myös molemmista 10nm: n sirujen valmistamisesta massatuotantoon 2017, ja on mahdollista, että he jopa voittavat Intelin tähän solmuun (tosin tietysti on kysymyksiä solmun nimeämisestä ja siitä, ovatko niiden prosessit yhtä tiheät kuin Intelin).

ITRS-etenemissuunnitelman muutokset eivät kiistä sitä, että jatkuva skaalaus tapahtuu jonkin aikaa, vaikkakaan ei enää sen kaksivuotiskadenssin kohdalla, johon olemme tottuneet, ja todellisten fyysisten rajojen ollessa saavuttamassa. Mutta uusi versio - nimeltään kansainvälinen laitteiden ja järjestelmien etenemissuunnitelma - korostaa ilmeisesti sen sijaan erilaisia ​​tekniikoita eri sovelluksille, kuten anturit, älypuhelimet ja palvelimet; ja yhdistämällä erityyppisiä transistoreita erilaisille asioille, kuten 3D-muisti, virranhallinta tai analogiset signaalit.

Joten onko Mooren laki todella kuollut tällä kertaa? Epäilen sitä. Intel sanoo jatkuvasti, että "Mooren laki on elossa ja hyvin", ja he ja muut esittävät hyvät syyt miksi sirut tiivistyvät edelleen seuraavan vuosikymmenen aikana, vaikka kustannukset kasvavatkin. Mutta ei ole epäilystäkään siitä, että näemme monia muutoksia sirujen suunnittelussa, kun siirrymme yhä pidemmälle yhden mallin konseptista, joka skaalautuu pienistä laitteista aina tietokeskukseen saakka. Ja se tarkoittaa, että sirujen suunnittelijat joutuvat kohtaamaan vaarallisia päätöksiä, ja että asiakkaiden on oltava entistä varovaisempia tekemissään valinnoissa.