Два крупнейших производителя — Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) и Samsung еще в 2019 году анонсировали о восходе на следующую ступеньку лестницы закона Мура. Сначала выступила TSMC, объявив о переходе техпроцесса 5 нм в стадию “рискованного производства”, т.е. компания считает, что процесс готов, и первые клиенты рискуют, надеясь, что продукт заработает в их схемах. Samsung быстро последовала за нею с аналогичным заявлением. TSMC говорит, что процесс 5 нм даёт увеличение скорости на 15% или увеличение эффективности энергопотребления на 30%. Samsung обещает ускорение на 10% и увеличение эффективности на 20%. Аналитики говорят, что эти цифры находятся в рамках ожиданий. Однако по сравнению с иногда 50% улучшениями, случавшимися лет 10 назад, ясно, что закон Мура уже не тот, что раньше. Но, судя по инвестициям крупных производителей, клиенты считают, что оно того стоит.
В чём особенность 5 нанометров?
5 нм – первая технология, созданная с нуля при помощи фотолитографии в глубоком ультрафиолете [extreme ultraviolet lithography, EUV)]. ФГУ с длиной волны в 13,5 нм может создавать чрезвычайно мелкие детали на кремнии. Некоторые из них можно было изготавливать и предыдущим поколением инструментов для фотолитографии, однако им бы потребовалось три-четыре прохода подряд, чтобы выдать такой же результат, которого ФГУ добивается за один проход.
Улучшения, достигнутые при переходе на новый техпроцесс
Фабрики начали производство на 7 нм без ФГУ, но затем использовали его для уменьшения количества литографических шагов и улучшения выдачи. На 5 нм производствах используют 10-12 шагов ФГУ, то есть для предыдущих технологий потребовалось бы делать по 30 шагов, если это вообще было возможно.
Поскольку фотомаски, содержащие схемы, получаются дорогими, и каждая машина для литографии стоит по $100 млн плюс инвестиции, «ФГУ обходится дороже в пересчёте на один слой», — говорит Дж. Дэн Хатчесон из VLSI Research. Но в пересчёте на подложки получается разрыв в чистом доходе, и ФГУ сформирует основу всех будущих процессов.
Кто будет её использовать?
Новый производственный процесс подходит не всем. По крайней мере, пока. Однако обе компании обозначили некоторые компании, которые с большой вероятностью окажутся в первых рядах, включая поставщиков, изготавливающих процессоры для смартфонов и инфраструктуры 5G. «Нужны большие объёмы и потребность либо в скорости, либо в энергоэффективности», — говорит Лен Джелинек, аналитик производства полупроводников из IHS Markit.
Имеет значение и то, с кем вы соревнуетесь, поясняет Кевин Кревел из TIRIAS Research. GPU, FPGA, высокопроизводительные микропроцессоры раньше первыми пользовались преимуществами переднего рубежа закона Мура. Но с уменьшением конкуренции на этих рынках новая технология всё больше требуется для мобильных процессоров.
Нормально ли, что осталось всего две компании?
Услуги по производству 5 нм предлагают всего две компании, Samsung и TSMC. GlobalFoundries сдалась на 14 нм, а Intel, опаздывающий на годы с выпуском эквивалентной конкурентам продукции на 7 нм, как считают аналитики, отказывается от услуг производства.
Samsung и TSMC остаются, поскольку могут позволить себе инвестиции и ожидают разумного возврата с них. Samsung была крупнейшим производителем чипов по доходам в 2018, однако его производственные мощности считаются 4-ми в мире, а на первом месте находится TSMC. Капитальные расходы TSMC в 2018 составили $10 млрд. Samsung планирует примерно такие же расходы ежегодно до 2030.
Может ли индустрия работать, когда лишь две компании способны выдавать наиболее передовой производственный процесс? «Вопрос не в том, может ли она работать, — говорит Хатчесон. – Ей придётся».
«Пока у нас есть хотя бы два жизнеспособных решения, индустрия будет чувствовать себя комфортно», — говорит Джелинек.
Что дальше?
На сборочных линиях производителей чипов обычно 5 нм следовали за 7 нм, а 3 нм следовали за 5 нм. Но аналитики говорят, что фабрики начнут предлагать различные технологии с постепенными улучшениями, закрывающими разрывы. И действительно, Samsung и TSMC предлагают то, что они называют техпроцессом на 6 нм. Фабрикам потребуются такие промежуточные продукты, чтобы на границе закона Мура клиенты продолжали приходить к ним. Ведь между 5 и 0 осталось не так уж много чисел.
Что такое закон Мура
В 1965 году один из основателей корпорации Intel, инженер Гордон Мур обратил внимание на интересную закономерность в развитии компьютеров. Исследователь заметил, что «каждые два года количество транзисторов на квадратный дюйм интегральных схем увеличивается в два раза». Так звучит закон Мура. Но что это значит?
На самом деле, изначально ученый говорил о ежегодном удвоении количества транзисторов. Но в 1975 году на конференции International Electron Devices Meeting, Мур официально заявил о пересмотре своего эмпирического правила. Тогда и была окончательно утверждена скорость увеличения объема — два года. Само понятие «закон Мура» после этой конференции ввел профессор Калифорнийского института технологий Карвер Мид.
Создатель закона, Гордон Мур (на фото за рабочим столом), сегодня один из 50 богатейших людей CША. Forbes оценивает его состояние в $11,6 млрд. Wikimedia
Для начала разберемся, что такое транзистор. Так называют радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, который и сегодня является основным компонентом всех электронных устройств и микросхем. Проще говоря, Мур отметил, что объем компьютерной памяти удваивается примерно каждые пару лет. Так как его наблюдения были основаны на практических выводах, закон вернее было назвать эмпирическим правилом. Но закрепилась другая, более звучная формулировка. Так, закономерность стала правилом компьютерной промышленности.
Как закон Мура использовался в начале и почему работал
Вскоре после публикации статьи Мура в журнале «Electronics», исследователи начали замечать, что не только память, но и каждый показатель производительности компьютера подчиняется этому закону. Например, размер микросхем и скорость процессора.
Кроме предсказания роста плотности размещения транзисторов каждые два года, Мур сделал и другой важный вывод: сокращение размеров транзисторов должно привести к тому, что микросхемы на их основе будут дешевле и мощнее. Этот прогноз предугадывал глобальные перемены во всей области электроники.
Безусловно, популярность закона Мура обоснована его практическим подтверждением. Так, опубликованный прогноз на десятилетие (с 1965 по 1975 год) сбылся и стал основой для развития всей полупроводниковой технологии на много лет вперед. Впрочем, к 1975 году рост количества элементов в одной микросхеме стал немного отставать от прогноза.
Рост числа транзисторов по закону Мура с 1970 по 2020 год. Со времени основания Intel, то есть с 1968, себестоимость производства транзисторов разительно упала. Так, цена сравнима со стоимостью печати любого типографского знака на бумаге. Wikimedia
Когда все начало меняться и почему
Примерно с середины нулевых производители процессоров стали предпочитать многоядерные архитектуры. Потому для получения всей выгоды от возросшей производительности, программы должны были переписываться. Однако не каждый алгоритм поддается распараллеливанию. Словом, главный постулат закона Мура прекратил действовать.
В 2007 году сам Мур заявил, что скоро закон перестанет работать из-за атомной природы вещества и лимитирования скорости света. Действительно, в 2010 году на примере той же Intel было замечено, что тактовые частоты остановили свой рост. С этого времени следование закону Мура перестало быть выгодным для разработчиков.
Развитие транзисторов, переломные моменты
В 1971 году у процессора Intel 4004 было уже 2 300 транзисторов. А в 1965 году всего 64. В 1978 в процессоре 8086 их насчитывалось уже 29 000. В 1982 году — 120 000, а в 1985 — 275 000. Первая модель всем известного Pentium была выпущена в 1993 году, число транзисторов там составило уже более трех миллионов. В Pentium ll — 7,5 миллиона, а в третьем — 24. Новое поколение процессоров Itanium было выпущено в 2002 году. Так, уже в 2005 в модели Itanium Montecito количество транзисторов увеличилось до 1,72 миллиарда.Но сегодня речь идет не только о развитии транзисторов. В Intel закон Мура применяют и в других сферах. Например:
- Беспроводные технологии. Закон Мура помогает спрогнозировать характер и темп изменений процессоров. Так, принципы беспроводной передачи данных становятся максимально универсальными и дешевыми по себестоимости.
- Сенсорность. Intel развивает сети сенсоров – приборов, которые способны измеря, коммуницировать и вычислять. Сети содержат тысячи единиц сенсора и могут обрабатывать и обмениваться информацией.
- Применение фотонов. Любая информация на устройствах передается через электрический импульс. Однако медные кабели подвержены перегреву. Поэтому Intel используют оптоволокно для передачи данных посредством световых волн. Посыл к такому подходу также содержится в законе Мура.
Закон Мура предсказывает, когда нужно создать кардинально новые технологические системы. Так и произошло и с внедрением оптоволокна.
Работает ли сейчас закон Мура
Число транзисторов продолжает расти, но все же медленнее, чем того требует закон Мура. Дело в том, что уменьшать классические кремниевые транзисторы становится все труднее. Уже не раз исследователи из разных стран заявляли о создании одноатомного транзистора. Однако применять эту технологию в массовом производстве, скорее всего, можно будет не раньше, чем через 20 лет. Существуют только теории, как и куда будут развиваться такие технологии. Сегодня одноатомные резисторы кажутся конч
В 2019 году только две компании смогли создать транзисторы с техническими характеристиками и стоимостью, соответствующими закону Мура. Это TSMC и Samsung Electronics.
По прогнозам, закон Мура будет действовать, хоть и в несколько видоизмененном формате, до конца 2025 года. В 2014 году компания Intel заявила, что темпы разработки транзисторов уменьшились, а сроки работы закона Мура скорректировались до 2,5 лет. Как будет развиваться вычислительная техника после 2025 года, до конца не ясно.
Перспективы
Однако рано или поздно законы природы положат конец господству закона Мура. Взять, к примеру, размеры элементов микросхемы. Закон предсказывает, что к 2060 году они должны будут стать размером с одиночный атом — что невозможно с точки зрения квантовой механики!
Даже если закон Мура перестанет работать окончательно, все равно сохранится возможность наращивать быстродействие вычислительной техники. Учитывая, что агентство DARPA намерено повысить эффективность процессоров в 75 раз. Оно же планирует исследовать нетрадиционные, нецифровые процессорные технологии, которые должны обойти ограничения производительности.
Автор первой части: Вячеслав Голованов
Автор второй части: Анна Поздняк
Источники: https://habr.com/, https://www.mentoday.ru/
