Moore’i seadus ja pooljuhtide tulevik: piirid ja lahendused

Ühel kevadpäeval 1965. aastal pani 36-aastase inseneri lühike märkme paika kaasaegse tehnoloogia rütmi. Gordon Moore'i tähelepanek - et transistorite arv kahekordistub ligikaudu iga 18–24 kuu järel ja kulud langevad - sai ennustusest pigem lubaduseks. Kümnendeid kandis see rütm ajastut: ruumisuurused suurarvutid andsid teed taskusuurustele arvutitele, mille töötlemisvõimsus ületas kosmoselaevade oma, mis esimesena kuule jõudsid.

Lubadustel on siiski aegumistähtaeg, määratud loodusseadustega. Transistorite vähendamine töötas imeliselt, kuni mõõtmed põrkasid kokku aatomitega. Dennardi skaaleerimine tagas kunagi parema jõudluse ja madalama energiatarbimise koos elementide kokkutõmbumisega, kuid see reegel purunes kaua enne, kui kiibid jõudsid aatomiliste mõõtmeteni. Tundunud vältimatud edud hakkasid aeglustuma ja lõpuks seisma jääma.

Kuidas ja miks sprint muutus nüriks? Füüsika, otsekohene ja kompromissitu. Kui transistorite väravad on vaid paar nanomeetrit laiad - sõna-sõnalt käputäis räni aatomeid - lõpetavad elektronid käitumise nagu korralikud piljardipallid. Nad käituvad lainetena. Nad tunnelduvad. Transistor, mis peaks olema välja lülitatud, võib lekkida, sest elektron võib 'tunnelduse' kaudu läbida kunagi läbimatu barjääri. Väikesed lekked liituvad. Miljardid lekkevates lülitites ühel kiibil muudavad nutika protsessori kompaktseks küttekehaks.

Soojus tõi kaasa uue piiri: termilise seina. Kellakiirused tõusid ühest gigahertsist kuni varem mõeldamatute arvudeni, kuid umbes 4–5 GHz juures kadusid kasud. Kui suurendad sagedust, ei arvuta sa lihtsalt kiiremini; sa küpsetad kiipi. See viis kummalise ja kuluka nähtuseni, mida nimetatakse tumedaks räni - suured kiibi piirkonnad, mis peavad igal hetkel olema välja lülitatud, et vältida ülekuumenemist. Rohkem transistoreid ei tähendanud enam rohkem kasutatavat jõudlust.

Insenerid keeldusid alla andmast. Nad vormisid transistorid ümber kolmemõõtmeliselt. 2011. aastal võttis tööstus kasutusele FinFETid, uime sarnase struktuuri, mis laseb väraval kanalit mitmelt poolt kontrollida ja lekkimist pidurdada. FinFETid ostsid teekonnale veel ühe kümnendi, võimaldades 7 nm ja 5 nm sõlmi. Kuid kui sõlmed suikusid 3 nm lähedale ja alla, hakkasid ka FinFETid kõhelda. Vastus oli tihedam kallistus: GAAFETid, kus värav ümbritseb täielikult nanoribasid või nanolehti, surudes kinni iga väljapääsu. Selliste aatomimõõtmeliste skulptuuride ehitamine on inseneritöö üks suuri saavutusi.

Kuid füüsika on vaid pool lugu. Majandus kirjutas teise peatüki. Tipptasemel fotolitograafia sõltub nüüd ekstreemse ultravioleti tööriistadest - massiivsetest masinatest, mida on peaaegu võimatu ehitada ilma tohutu ekspertiisita. ASML Hollandis on ainus EUV-stepperside tarnija, kes suudab printida 3 nm-klassi kujutisi. Iga üksus paistab nagu buss, sisaldab üle saja tuhande komponendi ja maksab ligikaudu kolmsada miljonit dollarit. Kaasaegne tipptasemel tehas? Oota hinnasilte kümnete miljardite dollarite väärtuses. Need numbrid on muutnud tööstuse maastikku: varem mitmeid räni tootjaid mahutanud ala on koondunud käputäiele hiiglastele.

Mis juhtub siis, kui ei saa transistorit lõputult pisemaks muuta? Muutad reegleid. Tööstus liigub monoliitsetest, ühesuurustest protsessoritest heterogeensete süsteemide ja chiplet-põhiste disainide poole. Selle asemel, et suruda iga funktsioon ühte die-sse samal sõlmel, ühendavad disainerid kokku väiksemaid plaate - chipletid -, mida saab toota erinevate protsesside abil ja seejärel integreerida täiustatud pakendamise abil. See on pragmaatiline. See on odavam. See on paindlik.

Ka spetsialiseeritud kiirendid on tõusnud tähtsuseks. GPU-d, neuronprotsessinguühikud ja domeenipõhised kiibid nagu Googleri TPU-d või Apple'i M-seeria räni näitavad, et puhas transistoritihedus ei ole ainus tee jõudluseni. Üle anda matemaatika riistvarale, mis on selleks loodud, ja efektiivsus tõuseb. Fotonika - valguse kasutamine elektronide asemel mõnede kommunikatsiooni- ja arvutustööde jaoks - kogub samuti tempot, lubades madalamat võimsust andmete liigutamiseks. Ja võimaluste kaugeimas servas pakuvad kvantarvutid radikaalset, erinevat arvutusmudelit, mitte ainult olemasolevate süsteemide miniaturiseerimist.

Moore'i seadus ei ole surnud; see on suunatud ümber nutikamatesse arhitektuuridesse, uutesse materjalidesse ja süsteemitasandi mõtlemisse.

Pooljuhtide lugu on liikunud ühe mõõdiku - transistorite tiheduse - juurest laiemasse kompromisside portfelli: kulud ühe funktsiooni kohta, energia ühe operatsiooni kohta ja võime kokku panna heterogeenseid osi sidusateks süsteemideks. Tulevik ei saa olema nii palju piiramatu vähendamine kui nutikas kokkupanek: chipletid ja 3D virnastamine, fotonilised lingid, spetsialiseeritud kiirendid ja tarkvara, mis orkestreerib erinevaid komponente tõhusalt.

Insenerid ei anna alla kvantpiiride ees. Nad kujundavad lahinguvälja ümber. Kui üks uks füüsikas sulgub, lõhuvad nad seina, et teha aken. Järgmine kümnend näeb välja teistsugune kui eelmine, kuid see ei ole vähem leidlik ja võib-olla veelgi huvitavam.