Микросхемы будущего: Скорость вместо миниатюрности

Гордон Мур, один из основателей компании Intel, предрекал, что количество электронных компонентов (транзисторов) в микросхемах устройств ежегодно станет удваиваться, что будет приводить к снижению их стоимости. Какое-то время "закон Мура", казалось, действительно работал… Однако потом выяснилось, что его автор все же ошибался.

Лучше меньше, да лучше!

Чтобы синхронизировать работу разных компаний, от которых зависело создание кремниевых микросхем, те, кто стоял у руля их производства, начали публиковать графики, где отслеживались переходы на новые уровни. Это позволяло производителям не отставать друг от друга и вовремя выпускать нужные технологии.

В частности, Ассоциация полупроводниковой промышленности, куда входили корпорации Intel, AMD, TSMC, GlobalFoundries и IBM, начала публикацию этих графиков в 1992 году. В 1998 году к ним присоединились и другие организации со всего мира. Вместе они составили Международный план по развитию полупроводниковой технологии. С тех пор такие планы составлялись периодически; последний из них появился в 2013 году.

Тем не менее еще в 1975 году Гордону Муру пришлось внести корректировки в собственный прогноз: он увеличил период удвоения количества компонентов в микросхемах с одного года до двух. После этого в течение 30 лет элементы микросхем стабильно уменьшались в размерах.

Однако в 2000 году стало ясно, что тенденция к пропорциональному уменьшению приблизилась к своему пределу. Несмотря на это, разработчики не собирались отказываться от закона Мура и шли на разные ухищрения, чтобы его не отменять.

Так, при уменьшении размеров одного транзистора до 90 нанометров в производстве стали использовать напряженный кремний, чтобы размеры можно было уменьшить до 45 нанометров — в ход пошли новые материалы, позволяющие увеличить емкость каждого транзистора… Дабы достичь 22 нанометров, изобрели транзисторы с тройным затвором…

Предел есть!

Но пришло время, и стало ясно, что эти технологии больше не действенны. Так, далеко не просто осуществить процесс фотолитографии, который помогает перенести топологию микросхемы на кремниевую подложку: применяемая сегодня длина световой волны составляет 193 нанометра, что позволяет достичь разрешения в 14 нанометров.

В принципе можно использовать и волны меньшей длины, но это усложняет процесс переноса и повышает его стоимость, что, конечно же, является далеко не желательным.

Сначала производители надеялись, что это ограничение будет преодолено благодаря экстремальной ультрафиолетовой литографии — ЭУФ, использующей источники с длиной волны в 13,5 нанометра. Однако технологии ЭУФ оказались недоработанными.

Даже при условии доработки, говорят эксперты, остается непонятным, до какого предела можно будет уменьшать размеры компонентов. Так, при размере в 2 нанометра один транзистор будет состоять всего из 10 атомов. Вряд ли при таких микроскопических размерах можно будет рассчитывать на его надежную работу.

Предположим, даже если бы эту проблему удалось решить, такое производство потребовало бы колоссального энергопотребления… Кроме того, уплотнение компоновки транзисторов вело бы к рассеиванию их мощности.

Не стоит забывать также и о том, что разработка и внедрение каждой технологии тоже требуют времени и денег. Помимо пресловутого закона Мура, существует еще и так называемый закон Рока (его автором является Артур Рок), гласящий, что цена производства микросхем удваивается примерно каждые четыре года.

Да, можно разработать технологии, которые позволят увеличить количество транзисторов на микросхеме и сделать устройство более мощным, но, чтобы создать соответствующее оборудование, потребуются огромные суммы…

К тому же сейчас возрастает тенденция, связанная с использованием более простых и дешевых процессоров. Менее мощный процессор не заменяют более продвинутым, вместо этого на одной микросхеме размещают несколько процессорных ядер, что увеличивает мощности. Хотя при этом общая производительность процессора возрастает, на работу программного обеспечения это мало влияет.

Интеграция и скорость

Похоже, закон Мура больше нельзя считать актуальным. В 2014 году авторы Международного плана по развитию полупроводниковой технологии объявили в научном журнале Nature, что планируется изменить подход к созданию микросхем. Свое ноу-хау они назвали More than Moore ("Больше, чем закон Мура"). Суть в том, чтобы снизить энергопотребление электронных компонентов за счет их интеграции.

Хотя от тенденции к уменьшению размеров производители все-таки не намерены отказываться. Планируется, что в 2020-х годах на рынке появятся транзисторы с круговым затвором, нанопроводы и, наконец, монолитные трехмерные микросхемы с многослойными компонентами, встроенными в цельные кристаллы кремния.

Но не исключено, что в более отдаленном будущем предпочтение станет отдаваться не компактности, а скорости и умеренному потреблению энергии.