กฎของมัวร์ที่ทางแยกใหม่

เมื่อไม่นานมานี้มีเรื่องราวมากมายเกี่ยวกับวิธีที่กฎของมัวร์สิ้นสุดลง นั่นไม่น่าประหลาดใจโดยเฉพาะ - ผู้คนทำนายการตายมาหลายสิบปีแล้วและฉันเคยพูดถึงเรื่องนี้มาก่อน - แต่การอภิปรายได้ดำเนินชีวิตใหม่ เรื่องราวในวารสาร Nature โดย M. Mitchell Waldrop ยืนยันสิ่งที่น่าสงสัยมากที่สุดในอุตสาหกรรม - ว่าแผนการเทคโนโลยีระหว่างประเทศสำหรับเซมิคอนดักเตอร์ (ITRS) รุ่นต่อไปจะไม่เน้นที่การทำให้ทรานซิสเตอร์มีขนาดเล็กลง แต่เป็นการพัฒนาชิปที่ก้าวหน้าสำหรับการใช้งานเฉพาะ .

แน่นอนว่ากฎของมัวร์นั้นขึ้นอยู่กับการสังเกตของกอร์ดอนมัวร์ (ซึ่งต่อมาจะไปพบ Intel) ในฉบับ อิเล็กทรอนิกส์ เมื่อเดือนเมษายน 2508 ว่าจำนวนทรานซิสเตอร์ในโปรเซสเซอร์เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุกปี (สำเนาออนไลน์ได้ที่นี่) ภายในปี 1975 เขาได้รับการพิสูจน์ว่าถูกต้อง แต่เปลี่ยนการคาดคะเนชิปของเขาเป็นสองเท่าทุกสองปีซึ่งเป็นจังหวะที่อุตสาหกรรมส่วนใหญ่ติดตามจนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้

ในปี 1991 อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ของสหรัฐเริ่มต้นสิ่งที่จะกลายเป็น ITRS ด้วยการมีส่วนร่วมจากกลุ่มอุตสาหกรรมจากยุโรปญี่ปุ่นไต้หวันและเกาหลีใต้ ในช่วงหลายปีที่ผ่านมามีการเปลี่ยนแปลงแผนงานนี้มากมาย จนถึงต้นทศวรรษ 2000 ไม่เพียง แต่จำนวนทรานซิสเตอร์บนชิปเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุกรุ่นเท่านั้นอัตรานาฬิกายังเพิ่มขึ้นซึ่งทำให้ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัดเช่นกัน ชิปติดตามสิ่งที่เรียกว่าการปรับสเกลของเดนนาร์ดตามกระดาษ 2517 ที่กล่าวว่าเมื่อปรับขนาดทรานซิสเตอร์ประสิทธิภาพจะเพิ่มขึ้นโดยประมาณด้วยปัจจัยเดียวกันที่กำลังเดียวกัน แต่เมื่อชิปมีอุณหภูมิต่ำกว่า 90nm หรือมากกว่านั้นหยุดทำงานและหลังจากชิปถึง 3GHz หรือ 4GHz แล้วพวกเขาก็ใช้พลังงานมากเกินไปและร้อนเกินไป แทนที่จะหันมาใช้แกนประมวลผลที่เร็วกว่าเดิมอุตสาหกรรมหันมาใช้แกนประมวลผลเพิ่มเติมซึ่งทำงานกับบางแอปพลิเคชัน แต่ไม่ใช้กับแกนอื่น ในขณะเดียวกันชิปมือถือเริ่มได้รับความนิยมมากขึ้นทำให้พวกเขามีความต้องการสำหรับการใช้พลังงานที่ต่ำลง

การเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่อีกครั้งมาพร้อมกับวัสดุ สำหรับช่วงเวลาส่วนใหญ่ชิปส่วนใหญ่เป็น MOSFETs หรือทรานซิสเตอร์ออกไซด์ของโลหะ - ออกไซด์ - ซิลิคอนซึ่งหมายความว่าวัสดุพื้นฐานค่อนข้างง่าย ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมาเราได้เห็นการเปิดตัวของซิลิกอนที่รัดแน่น, high-k metal gate และเทคโนโลยี FinFET - วิธีการทั้งหมดในการเพิ่มความหนาแน่นและประสิทธิภาพเหนือกว่าวัสดุและการออกแบบแบบดั้งเดิมสามารถทำได้ ผู้สังเกตการณ์ส่วนใหญ่คิดว่าเมื่อเราผลิตได้ถึง 7nm แล้วเราจะต้องใช้วัสดุทางเลือกใหม่เช่นซิลิคอนเจอร์เมเนียม (SiGE) และอินเดียมแกลเลียมอาร์เซไนด์ (InGaAs) และในที่สุดเราอาจย้ายไปที่โครงสร้างทรานซิสเตอร์อื่นเช่นเกท - รอบทรานซิสเตอร์ที่รู้จักกันในชื่อ nanowires

เมื่อเร็ว ๆ นี้เครื่องมือพิมพ์หิน - แสงที่เปิดใช้งานวัสดุบนซิลิคอนเวเฟอร์เพื่อวาดรูปแบบของการออกแบบชิป - ก็ค่อนข้างคงที่ด้วยการพิมพ์หินแช่ 193nm เป็นมาตรฐานมานานหลายปี หากไม่มีการเปลี่ยนเป็นที่รู้จักในชื่อการพิมพ์หินแบบ ultraviolet (EUV) ผู้ผลิตชิปถูกบังคับให้ใช้รูปแบบหลายแบบซึ่งทำให้ต้นทุนเพิ่มขึ้น ASML และพันธมิตรได้ทำงานกับ EUV มาระยะหนึ่งแล้วและตอนนี้ดูเหมือนว่าจะเน้นไปที่การผลิต 7nm

การรวมกันของการสิ้นสุดของการปรับสเกล Dennard วัสดุใหม่และการทำลวดลายหลายแบบได้เพิ่มค่าใช้จ่ายในการเปิดตัวเทคโนโลยีใหม่แต่ละรุ่น และมันก็ยากที่จะทำเช่นนั้นกับ Intel เมื่อเร็ว ๆ นี้บอกว่าแผนของ 10nm นั้นเป็นเวลาสองปีครึ่งหลังจากการแนะนำ 14nm ซึ่งหมายความว่าจะเกิดขึ้นในปี 2560 Samsung และ TSMC ต่างก็พูดถึงการเตรียมชิป 10nm สำหรับการผลิตจำนวนมาก 2017 และเป็นไปได้ว่าพวกเขาอาจเอาชนะ Intel ถึงโหนดนี้ (แน่นอนว่ามีคำถามเกี่ยวกับการตั้งชื่อโหนดและกระบวนการของพวกเขานั้นหนาแน่นเท่ากับ Intel หรือไม่)

การเปลี่ยนแปลงในแผนงาน ITRS ไม่ปฏิเสธว่าจะมีการปรับขนาดอย่างต่อเนื่องชั่วขณะหนึ่งแม้ว่าจะไม่ได้ใช้จังหวะสองปีที่เราคุ้นเคยอีกต่อไป แต่เวอร์ชันใหม่ - เรียกว่า International Roadmap สำหรับอุปกรณ์และระบบ - แทนการเน้นความแตกต่างของเทคโนโลยีสำหรับแอพพลิเคชั่นต่าง ๆ เช่นเซ็นเซอร์สมาร์ทโฟนและเซิร์ฟเวอร์ และการรวมทรานซิสเตอร์ประเภทต่าง ๆ สำหรับสิ่งต่าง ๆ เช่นหน่วยความจำ 3 มิติการจัดการพลังงานหรือสัญญาณอะนาล็อก

คราวนี้กฎของมัวร์ตายจริงหรือ ฉันสงสัยมัน. Intel กล่าวต่อไปว่า "กฎของมัวร์ยังมีชีวิตอยู่และดี" และพวกเขาและคนอื่น ๆ ให้เหตุผลที่ดีว่าทำไมชิปจะยังคงแข็งแกร่งขึ้นในทศวรรษหน้าหรือแม้กระทั่งในขณะที่ต้นทุนยังคงสูงขึ้น แต่ไม่ต้องสงสัยเลยว่าเราจะเห็นการเปลี่ยนแปลงมากมายในการออกแบบชิปในขณะที่เราก้าวไปไกลและไกลออกไปจากแนวคิดของการออกแบบเดี่ยวที่ปรับขนาดจากอุปกรณ์ขนาดเล็กไปจนถึงศูนย์ข้อมูล และนั่นหมายความว่าผู้ออกแบบชิปจะต้องเผชิญกับการตัดสินใจที่มีความเสี่ยงและลูกค้าจะต้องระมัดระวังให้มากขึ้นเกี่ยวกับการเลือกที่พวกเขาทำ