Mūra likums - vai tas tiešām ir miris?



'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.

Laikposmā, kas ilgāks par piecām desmitgadēm, ir darbojusies Mūra likuma norma, liekot iepriekšminētajam grafikam izskatīties gandrīz lineāram, ja tiktu novilkta līnija. Tas, kas novirza līniju no tās linearitātes, ir gadījuma rakstura žagas ražošanā, ar kurām nozarei bija jātiek galā un galu galā tā tika pārvarēta. Vēstures gaitā Mūra likums daudzkārt tika pasludināts un paredzams, ka tas ir miris, jo nozare tuvojās sub mikronu lielumam. Sākot ar 1 µm, daudzi cilvēki skeptiski vērtēja likuma dzīvotspēju un to, cik labi tas izturēsies, taču laiks ir pierādījis, ka šie cilvēki rīkojas nepareizi, un mēs tagad izmantojam produktus, kuru pamatā ir 7 nm mezgls.

Izaicinājums
Tas, kas patiesībā mēģina apturēt likumu, ir trīs lietas: litogrāfija, piemaisījumi un apjomradīti ietaupījumi.

Pirmā problēma, kas jārisina, ir atomu līmenī atrastie piemaisījumi. Silīcija ražošanas lietuves izkausē kvarca smiltis, veidojot lielu kristāla struktūru, kas tiek sagriezta vafelēs. Kad smiltis ir izkusis, piemaisījumi ir neizbēgami. Tas ir saistīts ar faktu, ka silīcija sildīšana ļauj tai viegli reaģēt ar halogēniem (fluoru, hloru, bromu un jodu), veidojot halogenīdus. Šie halogenīdi tiek noņemti, izmantojot vairāk ķīmisku vielu, kas tos izšķīdina un noņem, tāpēc vafeļu izgatavošanai var iegūt lielu kristālu. “Kādu problēmu rada šo piemaisījumu noņemšana?”, Jūs varētu jautāt. Jo mazāks ir atsevišķa tranzistora lielums, jo labāk, ka būs pat neliels piemaisījumu atoms, kas palicis no iepriekšējās tīrīšanas, un tas tranzistoru padarīs nelietojamu.

Otra problēma, kas jārisina, ir litogrāfija. Lai izgatavotu tranzistorus, tie ir “jāizdrukā” uz silīcija vafeles. Tas tiek darīts, spīdot gaismai caur veidni, ko sauc par masku, kas iekļūst silīcijā un iegravē modeli vafelē. Protams, samazinoties tranzistora lielumam, maska ​​ir jāpadara mazāka. Jo mazāka ir maska, jo grūtāk to padarīt (jūs šeit sākat pamanīt noteiktu zīmējumu, samazinoties izmēram). Tātad, lai atrisinātu šo problēmu, pusvadītāju nozare ir izveidojusi daudzkārtīgu rakstīšanas paņēmienu, kas vairākas reizes pārvēršas kodināšanas procesā, lai palielinātu maskas pielietošanas efektivitāti. Tomēr bieži vien ar šo pieeju nepietiek, un UV gaismai ir grūtības drukāt dizainus uz silīcija. Tā radās Extreme UV vai EUV litogrāfija. Tas izmanto spēcīgāku gaismu
Avots ar īsāku viļņa garumu, lai labāk gravētu dizainu un tādējādi samazinātu kļūdas, ar kurām varētu saskarties drukāšana. Kāda šeit patiesībā ir problēma, tā nav gaisma, kas iet caur masku, tā ir pati maska. Maska ir kritisks dizaina elements, jo tā nodod jūsu dizainu silīcijam. Ja nevarat izgatavot precīzas un mazas maskas, jūs nevarat iegūt strādājošu mikroshēmu. Tādējādi maskas izgatavošana ir vēl viens kritisks solis, kas padara Mūra likumu smagu. Trešā un pēdējā problēma ir apjomradīti ietaupījumi. Tieši šeit nāk mazāk zināmais Mūra otrais likums, kas paredz, ka arī jaunas ražotnes uzstādīšanas izmaksas ik pēc diviem gadiem kļūst divas reizes dārgākas. Šodien, lai izveidotu jaunu modeli, uzņēmumi tērē miljardiem dolāru. Intel ir ieguldījis vairāk nekā 12 miljardus ASV dolāru savā Fab numur 42 Arizonā, domājams, ka kādu dienu vajadzēs ražot 7 nm mikroshēmas. Papildus milzīgajam kapitālam, kas nepieciešams tikai jauna fab atvēršanai, uzņēmumiem jāizstrādā savs pusvadītāju mezglu process. Raugoties uz situāciju perspektīvā, nozares spekulācijas ir tādas, ka sākot no 5 nm un zemāk, vairāk nekā pieci miljardi dolāru nepieciešami tikai pētniecībai un attīstībai. Tas ir iemesls, kāpēc tikai trīs lietuves ir palikušas ražošanā ar 7 nm un zemāku - Samsung, Intel un TSMC.

Ceļš uz priekšu

Visiem uzņēmumiem, kuriem ir kapitāls, lai ieguldītu jaunos ražošanas objektos un aprīkojumā, ir diezgan daudz iespēju izvēlēties, lai likumi turpinātos. Jaunu materiālu pievienošana, jauna veida tranzistoru izgatavošana un trešās dimensijas ieviešana.

Apzināti nelielu daudzumu citu materiālu ievadīšana ar silīciju (“dopings”) var būt ar abpusēji griezīgu zobenu. Jauns materiāls var uzlabot tranzistora īpašības, taču to ražošana ir neticami sarežģīta. Tieši tāda bija Intel pieredze ar kobaltu. Viņi to pievienoja 10 nm mezglam, lai samazinātu pretestību ārkārtīgi mazos vados, kas savieno tranzistorus. Šiem vadiem parasti tiek izmantots varš, bet, tā kā tas tiek iesaiņots mazākos vados, tas mēdz kļūt izturīgāks, tāpēc kobalts tiek pievienots, jo tāds pats izmērs, Intel atklāja, ka tam ir puse pretestības nekā līdzīgiem vadiem, kas izgatavoti no vara. Šis papildinājums izrādījās noderīgs, taču diezgan grūti izgatavojams, un tas deva sliktu rezultātu, izraisot jaunā procesa kavēšanos. Neskatoties uz kavēšanos, tā papildināšana atrisināja ievērojamo problēmu, ar kuru saskārās inženieri, parādot jaunu materiālu integrēšanas iespējas, lai uzlabotu veiktspēju. Ja pārdomājat, alumīnijs kādu laiku tika izmantots, pirms rūpniecība pārgāja uz varu, lai panāktu labākas veiktspējas īpašības. Arī šī pāreja nenotika gludi, bet pēc mazliet laika izrādījās diezgan laba.

Iespēja ir arī jauna veida tranzistori. Kādu laiku nozare kā bāzes tranzistoru izmantoja standarta, plakanu CMOS FET, kas darbojās lieliski, līdz mēs nevarējām kontrolēt strāvu, kas iet caur tranzistoru, veicot nejaušus slēdžus, kas bieži izraisīja kļūdas. Pavisam nesen jaunais dizains ar nosaukumu FinFET aizstāja plānās FET, kur spole tika pacelta un vārti sāka apņemt
Avots, lai labāk kontrolētu, vai tranzistors pārslēgsies vai nē. Zemāk redzamajā attēlā varat redzēt atšķirību, kas parādījās, ieviešot FinFET, ļaujot ražotājiem izgatavot mazākus tranzistorus un, pats galvenais, tos kontrolēt. Jaunākā pieeja tranzistora izgatavošanai ir 'Gate All Around FET' jeb īsi sakot - GAAFET. Tās dizains iesaiņo visu
Avots ar vārtiem, lai bez nodomiem nepieļautu iespējamos slēdžus. Plānots lietošanai 5 nm un zemāk, GAAFET ir tehnoloģija, kuru mēs redzēsim pavisam drīz. Tas ļaus veikt vēl mazākus tranzistora dizainus ar vieglākām manipulācijām ar ieslēgšanu / izslēgšanu.
Un visbeidzot, bet ne mazāk svarīgi ir arī trešā dimensija. Kad mēs pakāpsimies zem 1 nm un sāksim mērīt mezglu izmērus pikometros, daudzi spēki neļaus tranzistoriem kļūt mazākiem. Jūs varat iet mazā, bet nevar pārkāpt fizikas noteikumus. Kvantu tunelēšana ir vairāk sastopama mazākos attālumos, tāpēc vienā brīdī mēs nevaram kļūt mazāki pēc konstrukcijas, ja tranzistors neveic slēdzi pēc nejaušības principa. Tātad, kad mēs sasniedzam robežas, joprojām ir viena vieta, kur var ievietot tranzistorus, un tā ir vertikālā ass. Ja mēs sakraujam tranzistorus viens virs otra, mēs automātiski varam divkāršot, trīskāršot vai pat četrkāršot tranzistoru skaitu uz kvadrātmetru milimetru, padarot šīs pieejas potenciālu diezgan lielu. Mēs jau izmantojam šo tehnoloģiju HBM atmiņā, un tā drīz tiks nodota arī loģikai. TSMC izgatavo arī vafeļu uz vafeļu paketes, kas ļauj salikt vafeles viena otrai virspusē, tāpēc nav neiespējami iziet 3D un iesaiņot lielāku sniegumu tajā pašā apgabalā, taču siltums, īpaši siltuma blīvums, var kļūt par problēmu.

To visu summējot

Mans personīgais viedoklis ir, ka Mūra likums drīz nebeigsies. Ne šogad, ne sekojošajā, ne 2025. gadā, kad pats Gordons Mūrs paredz likuma izbeigšanos. Silīcija ražotājiem tā nebūs viegla cīņa, taču jaunās tehnoloģijas jau tiek strādātas, un dažas no tām drīz tiks ieviestas, piemēram, GAAFET, kobalts un Wafer-on-Wafer, kas ļaus veikt papildu darbības uzlabojumus . Mikroshēmu iepakojums, pateicoties mikroshēmu izskatam, kļūst ļoti labs, padarot sistēmas dizainu drīzāk LEGO ēku, nevis mikroshēmu dizainu, ja jūs varat iesaiņot daudz dažādu mikroshēmu blakus viens otram, bez nepieciešamības starp tiem ievietot PCB.

Mūra likuma ievērošana, kuru grūti ievērot, ir tāda, ka ražotājiem ir jābūt radošiem, ja viņi vēlas konkurēt un nopelnīt vairāk naudas, un tas piešķir šim izaicinājumam noteiktu skaistumu, kas ir redzams tikai tad, ja mēs skatāmies lielāku attēlu un saprotam, ka labākais un visinteresantākie risinājumi ir sekot šķietami garlaicīgajiem gadiem, kad viegli gūt panākumus.
Source: Wikipedia, Samsung (Images)