Сегодня - 18.04.2019

Может ли перестать выполняться закон Мура?

Отвечает: 
старший научный сотрудник Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН кандидат физико-математических наук Дамир Ревинирович Исламов
 

Скажите, пожалуйста, может ли наступить такая точка в развитии технологий, когда закон Мура больше не будет выполняться? При каких условиях это может произойти?

 

Закон Мура — противоречивая тема, потому что он является не законом природы, а эмпирическим наблюдением некоторых фактов из истории одной конкретной компании, экстраполированном на будущий прогресс всей отрасли. Собственно, популярность закона Мура неразрывно связана с маркетологами Intel, которые сделали его своим знаменем и много лет толкали индустрию вперед, заставляя ее соответствовать закону Мура там, где, возможно, стоило бы немного подождать.
 
На самом деле, вопрос очень интересный, и не имеет простого ответа. Всё зависит от того, в какой интерпретации закона Мура рассматривать развитие технологий. Напомню, что в 1965 году химик Гордон Мур, работавший тогда директором по НИОКР в фирме «Fairchild Semiconductor», написал внутренний доклад «Будущее интегральной электроники» с графиком, соединяющим 5 точек и связывающим число компонентов интегральных схем и их минимальную цену для периода 1959–1964, и предсказанием развития на следующие 10 лет. 
 
Это предсказание основывалось на том, что число компонентов на кристалле будет продолжать удваиваться каждый год. Чуть позже, 19 апреля 1965 г., отредактированная версия появилась в виде статьи в журнале «Electronics». Это наблюдение получило название «закон Мура» (титул закона ей дал информатик Карвер Мид в 1980 г.). В 1975 году на ежегодной встрече Международной организации инженеров-электронщиков (IEEE) Гордон Мур, будучи президентом и исполнительным директором «Intel», указал, что увеличение диаметра пластин, успехи в технологических процессах и «поумнение схем и устройств» позволило продолжиться прогнозу. Также Мур скорректировал свою закономерность до удвоения каждые 2 года, добавив в последние данные большую долю микропроцессоров как наиболее сложных логических схем. Предсказание оказалось самоподдерживающимся: теперь Гордон Мур уже не наносит на свой график очередные достижения, зато многочисленные фирмы (и, конечно, сама «Intel») до сих пор стараются идти в ногу с прогрессией (справедливости ради следует отметить, что последние 20 лет этим занимаются не инженеры, а исключительно маркетологи).
 
 
Рост числа транзисторов на кристалле напрямую связан с используемой технологическом процессе полупроводникового производства проектной нормой — линейным размером разрешающей способности (в мкм и нм) применяемого литографического оборудования. Ранние техпроцессы обозначались «xx мкм» (xx микрон), где xx сперва обозначало техническое разрешение литографического оборудования, затем стало обозначать длину затвора транзистора, полушаг линий металла и ширину линий металла. Типичные размеры металлизации и расстояния между элементами при переходе от 90 нм до примерно 28 нм уменьшались пропорционально уменьшению цифры проектных норм, то есть типовой размер следующего поколения составлял 0,7 от предыдущего (чтобы, согласно закону Мура, получить двукратное уменьшение площади). Одновременно с этим длина канала уменьшалась в лучшем случае как 0,9 от предыдущего поколения, а эффективная длина канала практически не менялась вовсе. 
 
В итоге маркетологам стало все сложнее рисовать картину соответствия прогресса технологии закону Мура, поскольку спуститься ниже 25—20 нм без технологического прорыва не получалось. Поэтому пришлось искать новый способ «вычисления» проектной нормы. Этот способ был найден: в индустрии для оценки плотности упаковки использовалась площадь шеститранзисторной ячейки памяти — самого популярного строительного блока микропроцессоров. Именно из таких ячеек обычно состоит кэш-память и регистровый блок, которые могут занимать пол кристалла, а схему и топологию шеститранзисторной ячейки всегда тщательно выверяют до предела. Переход в подложкам типа кремний-на-изоляторе позволил «уменьшить» обычный плоский транзистор до уровня 14—16 нм. Дальнейшее уменьшение проектной нормы потребовало внедрить новое решение – объёмные FinFET транзисторы. Геометрическая длина канала в 16 нм FinFET транзистора больше, чем 20—25 нм. Однако минимальный имеющийся в этих транзисторах размер — это не длина канала, а ширина плавника (от англ. Fin — плавник), составляющая всего (!) 8 нм. То есть маркетологи, привязавшись к размерам ячейки памяти, обманули сами себя, и теперь вынуждены озвучивать цифру больше, чем могли бы.
 
Что дальше? Никто не знает. Попытки внедрения в производство пластин диаметром 450 миллиметров и EUV-литографии до сих пор не увенчались успехом. Однако согласно используемой методики измерения проектной нормы, её дальнейшая прогрессия, и значит и следование закону Мура, может быть достигнуто переходом от плоских, планарных схем к трёхмерным. Такое развитие активно демонстрируется при производстве терабитных кристаллов флэш-памяти. Например, Samsung Electronics уже выпускает твердотельные накопители (SSD) на базе 32-х, 48-и и 64-х слойных микросхем NAND-памяти. Активно разрабатываются концепты вертикальных транзисторов (V-FET) на основе углеродных, германиевых и кремниевых нанотрубок. Директор TSMC Марк Лиу назвал наиболее перспективным направлением развития микроэлектроники не уменьшение размеров транзисторов, а 3D-интеграцию. В связи с этим можно сказать, что закон Мура как закон уменьшения размеров транзисторов, прекратил своё выполнение. Однако его первоначальная формулировка — «количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца» — всё ещё актуальна.
 
Есть ещё одна формулировка закона Мура, она связана с прогнозом Давида Хауса из Intel, согласно которому производительность процессоров удваивается каждые 18 месяцев из-за сочетания роста количества транзисторов и быстродействия каждого из них. В соответствии с такой трактовкой, после 2020 года производительность микропроцессоров должна достичь уровня мозга живого объекта, а к 2045 году вообще превысить ментальную (мозговую) производительность всего человечества на Земле. В связи с этим наиболее перспективным путём развития электроники видится внедрение новых физических принципов, например квантовые либо нейроморфные вычисления с другой архитектурой. Как будут развиваться новые технологии, покажет время.
 
Фото с сайта pixabay.com
 
Поделись с друзьями: 

Система Orphus