Чипы больше не подчиняются закону Мура

Чипы больше не подчиняются закону Мура

Компоненты и технологии , №6 2016

В скором времени мировая промышленность полупроводниковых приборов формально признает то, что стало очевидным для всех заинтересованных лиц: действие закона Мура - правила, которое определяло ход информационно-технологической революции начиная с 1960 года, - исторически подходит к завершению.

В соответствии с эмпирическим законом, которому соответствовало развитие компьютерной техники, известным как закон Мура, количество транзисторов на чипе микропроцессора удваивается приблизительно каждые два года. В целом это означает, что и характеристики чипа соответственно улучшаются. Экспоненциальный характер данного процесса, как и определено законом Мура, привел к тому, что первые громоздкие компьютеры, появившиеся в 70-х годах прошлого столетия, трансформировались в сложные аппараты в следующие два десятилетия, и это способствовало развитию высокоскоростного Интернета, созданию смартфонов, систем омпьютеризированного управления работой автомобилей, термостатов и рефрижераторов, которые все более широко используются в наше время.

Такой ход событий не был неизбежным: создатели чипов осознанно следовали тенденции, определенной законом Мура. На каждом этапе развития разработчики программного обеспечения предлагали новые приложения, реализация которых была на грани возможностей существующих чипов, пользователи предъявляли все более жесткие требования к компьютерному оборудованию, а производители полупроводниковых приборов спешили удовлетворять эти запросы, предлагая на рынок чипы следующих поколений. В 1970-х полупроводниковая промышленность каждые два года предлагала дорожную карту для координации действий сотен производителей и поставщиков в соответствии с характером закона Мура — подобную стратегию иногда называют «Еще больше Мура». В большой степени благодаря данной дорожной карте развитие компьютерной техники следовало экспоненциальному характеру этого закона.

Но дальше так продолжаться не может. Процесс удвоения количества транзисторов в чипе начал замедляться из-за увеличения выделяемого им при работе тепла, неизбежно генерируемого при повышении числа активных кремниевых схем, размещаемых на той же самой небольшой площади. Кроме того, менее чем через десять лет начали проявляться и другие фундаментальные ограничения. “Наиболее совершенные микропроцессоры в настоящее время содержат электрические схемы, размер которых в поперечном сечении не превышает 14 нм - меньше, чем размер большей части известных вирусов столетия, - говорит Паоло Гарджини (Paolo Gargini), председатель организации, формирующей дорожную карту. - Технологи осваивают все меньшие размеры при производстве микросхем, но диапазон 2-3 нм будет достигнут только к началу 2020-х годов даже при сверхагрессивных усилиях. При этом в поперечном сечении будут находиться всего лишь 10 атомов”. И, несмотря на активные исследования ученых, очевидной замены современной кремниевой технологии не существует.

Следующая дорожная карта полупроводниковой промышленности впервые будет содержать план исследований и разработок, не связанный с законом Мура. План не следует этому закону, а базируется на то можно назвать стратегией «Еще Мура». Вместо того чтобы делать чипы совершенными, удовлетворяющими требованиям новых приложений, предлагается начать с рассмотрения перспективных приложений — от смартфонов до суперкомпьютеров для центров обработки и хранения информации (дата-центр) в облачном пространстве, чтобы определить, какие именно чипы необходимы для реализации этих приложений. В ряду таких чипов будет новое поколение датчиков, схем, управляющих энергосбережением, и другие кремниевые приборы, необходимые в мире, где вычислительная те становится все более мобильной.

Почему закон Мура перестает работать

Тепловая смерть

Первое препятствие не было неожиданным. Гарджини и другие предупреждали о его наличии еще в 1989 году. Однако его значение достигло критической точки, когда изделия стали слишком маленькими.

«Случалось так, что когда мы переходили к уменьшенным раз-мерам, автоматически происходили хорошие вещи, - говорит Билл Боттомс (Bill Bottoms), президент компании Third Millennium Test Solutions, разрабатывающей аппаратуру (г. Санта-Клара). - Чипы должны становиться все более быстродействующими и потреблять меньше мощности».

Но в начале 2000-х годов, когда размеры схем стали меньше 90 нм, преимущества от сокращения габаритов начали исчезать - чипы стали слишком нагреваться. И эта проблема является фундаментальной. От нагрева трудно избавиться, и никто не хочет покупать мобильный телефон, который будет обжигать руку. «В этой ситуации производители сосредоточились на единственно доступных решениях», - говорит Гарджини. Во-первых, были прекращены попытки увеличивать тактовые частоты, что определяет скорость, с которой микропроцессоры выполняют функциональные операции. Максимальная тактовая частота не растет начиная с 2004 года.

Во-вторых, для того чтобы удерживать эволюцию чипов в соответствии с законом Мура, несмотря на ограничения на быстродействие, пришлось изменить внутреннюю схемотехнику таким образом, чтобы каждый чип содержал не один процессор или ядро, а два, четыре и более. (Четыре и восемь — общеприняты в персональных компьютерах и в смартфонах.) “В принципе, - говорит Гарджини, - у вас есть возможность получить тот же самый результат, применив четыре ядра, работающих с тактовой частотой 250 МГц, как при использовании одного процессора, действующего с тактовой частотой 1 ГГц”.

На практике использование восьми процессоров означает, что проблему необходимо разделить на восемь частей, что во многих случаях затруднительно или вообще невозможно. «Элемент, который нельзя включать в параллель, будет налагать ограничения на попытки дайльнейшего усовершенствования ваших изделий», - говорит Гарджини.

Но и в этом случае, при условии творческой переработки конструкции с целью компенсировать утечку электронов и устранить другие нежелательные эффекты, оба решения дают возможность производителям чипов продолжать уменьшать размеры микросхем и сохранять соответствие количества транзисторов тенденции, определенной законом Мура. Сейчас стоит вопрос: что случится в начале 2020-х годов, когда дальнейшее продолжение увеличения количества транзисторов на чипе станет невозможным из-за проявления квантовых эффектов? Что будет дальше? «Мы все еще боремся», - говорит Эн Чен, электроинженер, работающий в международной компании GlobalFoundries (г. Санта-Клара) и возглавляющий комитет, обеспечивающий разработку ной дорожной карты, связанной с поиском ответа на поставленный вопрос.

Недостатка в идеях нет. Одна из возможностей - принятие новой парадигмы, нечто вроде реализации квантовых вычислений, обещающей экспоненциальное увеличение скорости выполнения некоторых вычислительных операций, или нейроморфический вычислительный процесс, сутью которого является моделирование вычислительных элементов на основе нейронов, подобно тем, что имеются в человеческом мозге, но реализация этих парадигм не продвинулась за пределы лаборатории. Причем многие исследователи считают, что квантовые вычислительные устройства могут быть успешно реализованы в некоторых специальных приложениях, а не для решения повседневных задач, для то предназначены цифровые вычислительные устройства.

Другой подход, принятый в области цифровых компонентов, состоит в поиске «милливольтового ключа» - материала, который может быть использован для изготовления электронных приборов, имеющих по меньшей мере в два раза большее быстродействие по сравнению приборами на основе кремния, но при этом генерирующих в два раза меньше тепла. Существует множество кандидатов, начиная от двумерных графеноподобных компаундов до спинтронных материалов, приборы из которых смогут выполнять вычислительные операции за счет переключения спинов электронов, а не за счет их переноса. Существует огромное пространство для исследований, и оно должно быть тщательно изучено, если вы хотите выйти за рамки ограничений шествующей технологии», - говорит Томас Тейс (Thomas Theis), физик, руководящий начатой работой в сфере наноэлектроники в корпорации, специализирующейся в области исследований полупроводников, - Semiconductor Research Corporation (SRC).

К сожалению, и милливольтовый ключ не вышел за рамки лабораторных исследований, и в распоряжении разработчиков остался архитектурный подход, основанный на использовании кремния, но конфигурирование приборов должно осуществляться полностью новыми методами. Одним из популярных вариантов является переход к трехмерным (3D) структурам. Вместо травления плоских электронных схем на поверхности кремниевой подложки создается пачка из множества тонких слоев кремния с микросхемами, изготавливаемыми методом травления на каждом из этих слоев. В принципе, это должно дать возможность упаковывать больше вычислительной мощности в том же самом объеме. На практике, однако, в настоящее время такой подход позволяет изготавливать только чипы памяти, которых нет проблем с нагревом: в них используются схемы, потребляющие мощность только при осуществлении доступа к запоминающим элементам, что происходит нечасто. Пример такого устройства - конструкция кубика гибридного запоминающего устройства, в котором скомпонованы в виде пачки восемь слоев памяти, по этому пути должен пойти промышленный консорциум. С микропроцессорами дело обстоит хуже: нанесение нагретых слоев один на другой попросту приводит к еще большему нагреву микропроцессора.

Переход к переносной технике

Вторым камнем преткновения на пути жизни закона Мура было то, что впервые компьютерная техника стала мобильной. Двадцать пять лет назад компьютерная техника позволяла решать необходимые задачи с помощью настольных и портативных персональных компьютеров. Но ситуация изменилась. Сегодня задачи вычислительной техники определяются стремительно совершенствующимися смартфонами и планшетными ПК (не говоря уже об интеллектуальных часах и других носимых устройствах), а также взрывным ростом «умных» приборов для повсеместного применения— от мостов до человеческого тела. И эти мобильные устройства весьма отличаются по характеристикам от своих стационарных родственников.

Для мобильных устройств решающим фактором является их способность работать в течение длительного времени на одном источнике питания, взаимодействуя с окружающими техническими средствами и пользователями. Чипы в типовых смартфонах должны отправлять и получать сигналы голосовой связи, Wi-Fi, Bluetooth и глобальной навигационной системы и в то же время реагировать на прикосновения, близость к телу, ускорение, магнитные поля — даже на отпечатки пальцев. И самое главное, прибор должен содержать специальные схемы, управляющие расходом энергии питания.

Проблемой для производителей чипов является то, что эти требования нарушают привычный экономический цикл, который способствовал эволюции чипов, определяемой законом Мура. «Для старого рынка вы должны были изготавливать небольшую номенклатуру изделий, но продавать их в огромных количествах, - говорит Рид.— Для нового рынка вы должны изготавливать множество приборов, но продавать несколько сотен тысяч поштучно, так что они должны быть по-настоящему дешевыми в разработке и производстве».

«В настоящее время обе задачи становятся серьезным вызовом. Попытки одновременно и гармонично использовать раздельно работающие технологии при изготовлении одного прибора часто напоминают страшный сон, - говорит Боттомс (Bottoms), возглавляющий комитет, отвечающий за подготовку новой дорожной карты в этой области. - Применение различных компонентов, различных материалов, электроники, фотоники и тому подобного и все в одной упаковке — вот задачи, которые должны быть решены с помощью новых архитектур, новых методов моделирования и так далее».

Многие специализированные микросхемы разрабатываются еще кустарными методами, что означает «медленно и дорого». В университете Беркли (Калифорния) инженер-электронщик Альберто Санджованни-Винсентелли (Alberto Sangiovanni-Vincentelli) и его коллеги предлагают следующее: вместо того чтобы каждый раз начинать все с нуля, специалисты должны создавать новые приборы, комбинируя большое количество существующих схем с известными функциональными возможностями. «Такой подход подобен использованию блоков Lego,— говорит Санджованни-Винсентелли.— Проблема состоит в том, чтобы быть уверенным, что блоки будут работать совместно, но если вы станете применять старые методы проектирования микросхем, их стоимость окажется неприемлемо высокой». Затраты, что неудивительно, по мнению современных производителей чипов, чрезмерно велики. «Окончание действия закона Мура не является проблемой техники, это вопрос экономики, — говорит Боттомс. — Некоторые компании, в частности Intel, все еще стараются уменьшить размеры компонентов до того, как они упрутся в стену, создаваемую квантовыми эффектами», - продолжает он.

Каждый раз, когда размеры сокращаются в два раза, компаниям изготовителям необходимо использовать более точное фотолитографическое оборудование. Создание новых производственных линий в настоящее время требует инвестиций, измеряемых многими миллиардами долларов, — это то, что могут себе позволить лишь немногие фирмы. Фрагментация рынка, произошедшая в результате появления мобильных устройств, затрудняет процесс возврата этих денег. «Как только стоимость транзистора в следующем поколении микросхем превысит существующую стоимость, - говорит Боттомс,—процесс уменьшения размеров прекратится».

Многие наблюдатели считают, что промышленность уже весьма близко подошла к этой точке. «Держу пари, что у нас деньги закончатся раньше, чем мы преодолеем законы физики»,— говорит Рид. Определенно, увеличение стоимости чипов в течение последнего десятилетия явилось причиной вынужденной массивной консолидации в промышленности, производящей чипы. Большая часть производственных линий в мире принадлежит сравнительно небольшой группе транснациональных компаний, таких как Ink Samsung и Taiwan Semiconductor Manufacturing Company в г. Шиньчу. Эти промышленные гиганты имеют тесные связи с компаниями, поставляющими им материалы и технологическое оборудование.

Решение подобных задач потребует проведения большого объема исследований в будущем. При этом некоторые представители промышленности, включая Шекхара Бокара (Intel), руководящего в компании исследованиями по созданию микропроцессоров следующих поколений, являются оптимистами. «Да, - говорит он, - время действия закона Мура в буквальном смысле действительно подходит к концу, поскольку экспоненциальный рост количества транзисторов на чипе не может продолжаться далее. Но с точки зрения заказчика, закон Мура попросту констатирует, что потребительская стоимость удваивается каждые два года. И в таком виде все более повышать функциональные возможности новых полупроводниковых приборов».

«Новые идеи есть, - говорит Бокар, - и теперь наша работа - их техническая реализация».

Комментарии: