Моореов закон - да ли је стварно мртав?



'Moore's Law' is a term coined in 1965 by Gordon Moore, who presented a paper which predicts that semiconductor scaling will allow integrated circuits to feature twice as many transistors present per same area as opposed to a chip manufactured two years ago. That means we could get same performance at half the power than the previous chip, or double the performance at same power/price in only two years time. Today we'll investigate if Moore's Law stayed true to its cause over the years and how much longer can it keep going.

Током периода дужег од пет деценија владавина Мооре-овог закона је деловала, тако да горњи граф изгледа готово линеарно ако би се повукла црта. Оно што одвлачи линију од његове линеарности јесу повремене штуцање у производњи с којима се индустрија морала суочити и на крају је превазишла. Кроз историју, Моореов закон је више пута проглашаван и предвиђао да ће бити мртав, како се индустрија приближавала величинама испод микрона. Почевши од 1 µм, многи су постали сумњичави у одрживост закона и колико ће добро издржати, али вријеме је доказало да су ти људи погријешили и сада већ користимо производе који се базирају на 7 нм чвору.

Изазов
Оно што стварно покушава зауставити закон су три ствари: литографија, нечистоће и економија обима.

Први проблем који треба решити су нечистоће пронађене на нивоу атома. Љеваонице за производњу силицијума топају кварцни пијесак и формирају велику кристалну структуру која је исјечена на резанце. Када се песак растопи, нечистоће су неизбежне. То је због чињенице да загревање силицијума омогућава лако реаговање са халогенима (флуор, хлор, бром и јод) да би се формирали халогениди. Ти се халогениди уклањају употребом више хемикалија које их растварају и уклањају како би се могао направити велики кристал за прављење резина. „Који је проблем узрокован уклањањем тих нечистоћа?“, Питајте се. Мање величине појединачног транзистора, веће су шансе да ће чак и мали атом нечистоће, који је преостао од претходног чишћења, бити присутан и учинити транзистор неупотребљивим.

Други проблем који треба решити је литографија. Да бисте направили транзисторе, морате их 'утиснути' на силиконску резу. То се постиже сјајем светлости кроз калуп који се зове маска, а који продире кроз силицијум и урезује у узорак. Наравно, како смањујете величину транзистора, маску морате учинити мањом. Што је маска мања, то је теже направити је (овде почнете приметити одређени образац са смањењем величине). Дакле, да би решио овај проблем, индустрија полуводича је направила технику с вишеструким узорцима која захтева неколико преокрета у процесу јеткања како би повећала ефикасност наношења маске. Међутим, често такав приступ није довољан и УВ светлост има проблема са штампањем дизајна до силикона. Тако је настала литографија Ектреме УВ или ЕУВ. Користи јаче светло
Изворите са краћом таласном дужином да бисте боље обликовали дизајн и на тај начин смањили грешке код којих штампање може наићи. Оно што овде стварно јесте проблем, није светлост која пролази кроз маску, већ сама маска. Маска је критични елемент дизајна, јер ваш дизајн преноси у силикон. Ако не можете да направите прецизне и мале маске, не можете да добијете радни чип. Стога је прављење маске још један критични корак који чини Моореов закон тешким. Трећи и последњи проблем је економија обима. Ту долази до мање познатог Моореовог другог закона који предвиђа да трошкови постављања новог производног погона такође постају два пута скупљи сваке две године. Данас да би изградиле нову фабрику, компаније троше милијарде долара. Интел је уложио више од 12Б долара у свој број 42 у Аризони, који би требао производити 7 нм чипова неки дан. Поред огромног капитала потребног за отварање нове фабрике, компаније морају да развију и сопствени поступак чвора полуводича. Да би се ствари ставиле у перспективу, спекулације у индустрији су да само од истраживања и развоја треба од 5 нм и ниже, преко пет милијарди долара. То је разлог зашто су само три ливнице остале 7 нм и ниже - Самсунг, Интел и ТСМЦ.

Пут напред

За све компаније које имају капитал за улагање у нове производне погоне и опрему, постоји неколико опција за избор како би се закон наставио. Додавање нових материјала, прављење нових врста транзистора и улазак у трећу димензију.

Свесно уношење малих количина других материјала у силицијум („допинг“) може бити мач са две оштрице. Нови материјал може побољшати својства транзистора, али је невероватно тежак за производњу. То је било Интелово искуство са кобалтом. Додали су га 10 нм чвору за смањење отпора код изузетно малих жица које повезују транзисторе. За те жице се обично користи бакар, али како се пакује у мање жице, има тенденцију да постану отпорније, па се кобалту додаје и једнака величина, Интел је открио да има упола мањи отпор него сличне жице направљене од бакра. Овај додатак показао се користан, али прилично тежак за производњу и дао је лоше резултате, што је довело до кашњења у новом процесу. Упркос кашњењима, његов додатак решио је велики проблем са којим су се инжењери суочили, показавши потенцијал интегрисања нових материјала како би се побољшале перформансе. Ако се поново сетите, алуминијум је коришћен неко време пре него што је индустрија прешла на бакар ради боље карактеристике перформанси. Ни тај прелаз није прошао глатко, али показао се прилично добро након мало времена.

Нове врсте транзистора су такође опција. Једно време је индустрија користила стандардни, раван ЦМОС ФЕТ као базни транзистор, који је радио добро док нисмо успели да контролишемо струју која пролази кроз транзистор, правећи насумичне прекидаче који су често резултирали грешкама. Недавно је нови дизајн под називом ФинФЕТ заменио планарни ФЕТ, где је пераја подигнута и капија почела да окружује простор
Извор за бољу контролу да ли ће транзистор прећи или не. На слици испод можете видети разлику која се појавила увођењем ФинФЕТ-а, омогућавајући произвођачима да праве мање транзисторе и што је најважније контролирати их. Најновији приступ прављењу транзистора је 'Гате Алл Ароунд ФЕТ' или укратко ГААФЕТ. Његов дизајн обухвата цјелину
Изворите са капијом, да бисте спречили могуће пребацивање без намере. Планиран за употребу у 5 нм и ниже, ГААФЕТ је технологија коју ћемо видети ускоро. Омогућиће још мање дизајне транзистора са лакшом манипулацијом укључивања / искључивања.
И последње, али не најмање битно је и 3. димензија. Кад закорачимо испод 1 нм и започнемо с мјером величине чвора на пикометрима, многе силе ће спријечити да транзистори постану мањи. Можете ићи мало, али не можете прекршити правила физике. Квантно тунелирање је присутније на мањим удаљеностима, тако да у једном тренутку не можемо ићи мање у дизајну без да транзистор направи прекидач насумично. Дакле, када погодимо границе, још увек постоји једно место где се могу поставити транзистори, а то је вертикална осовина. Ако транзисторе поставимо један на другог, можемо аутоматски удвостручити, утростручити или чак четвороструко повећати број транзистора по квадратном милиметру, чинећи потенцијал овог приступа прилично великим. Ову технологију већ користимо у ХБМ меморији, а ускоро ће се пренијети и на логику. ТСМЦ такође прави Вафер-он-Вафер пакете који омогућавају слагање вафлова један на други, тако да није немогуће да користите 3Д и спакујете више перформанси на истом подручју, али топлота, нарочито густина топлоте могу постати проблем.

Резимирајући све

Моје лично мишљење је да се Моореов закон неће ускоро завршити. Не ове године, ни следеће, нити 2025. године, када сам Гордон Мооре предвиђа да ће закон престати. Неће бити лако борба за произвођаче силицијума, али на новим технологијама се већ ради и неке од њих ће се ускоро имплементирати, попут ГААФЕТ-а, кобалта и Вафер-он-Вафер што ће омогућити додатна побољшања перформанси . Пакирање чипова постаје врло добро са појавом чипса, па дизајн система изгледа више као ЛЕГО зграда, а не дизајн чипа, да ли можете да спакујете много различитих чипова један поред другог, без потребе за ПЦБ-ом између њих.

Ствар у Моореовом закону коју је тешко следити је да произвођачи морају бити креативни ако се желе такмичити и зарадити више, а то овом изазову даје одређену лепоту која је видљива само ако погледамо ширу слику и схватимо да је најбоље а најзанимљивија решења су следити наизглед досадне године лаког добијања перформанси.
Source: Wikipedia, Samsung (Images)