Νόμος του Moore - Είναι πραγματικά νεκρός;



'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.

Για μια περίοδο μεγαλύτερη από πέντε δεκαετίες, ο κανόνας του Νόμου του Moore έχει λειτουργήσει, καθιστώντας το παραπάνω γράφημα να φαίνεται σχεδόν γραμμικό, εάν σχεδιαστεί μια γραμμή. Αυτό που τραβάει τη γραμμή μακριά από τη γραμμικότητα της είναι περιστασιακά λόξυγκας στην κατασκευή που η βιομηχανία έπρεπε να αντιμετωπίσει και τελικά ξεπέρασε. Μέσα από την ιστορία, ο νόμος του Moore έχει δηλωθεί και προβλέπεται να είναι νεκρός πολλές φορές, καθώς η βιομηχανία πλησίαζε τα μεγέθη των υπομικρών. Ξεκινώντας από 1 μm, πολλοί άνθρωποι έγιναν σκεπτικοί στη βιωσιμότητα του νόμου και πόσο καλά θα συγκρατούσε, αλλά ο χρόνος έχει αποδείξει ότι αυτοί οι άνθρωποι είναι λάθος και τώρα χρησιμοποιούμε ήδη προϊόντα που βασίζονται σε 7 nm κόμβο.

Η πρόκληση
Αυτό που πραγματικά προσπαθεί να σταματήσει ο νόμος είναι τρία πράγματα: η λιθογραφία, οι ακαθαρσίες και οι οικονομίες κλίμακας.

Το πρώτο πρόβλημα που αντιμετωπίζουμε είναι οι προσμείξεις που βρίσκονται στο επίπεδο των ατόμων. Τα χυτήρια κατασκευής πυριτίου τήκουν χαλαζιακή άμμο για να σχηματίσουν μια μεγάλη κρυσταλλική δομή που κόβεται σε γκοφρέτες. Όταν η άμμος λιώσει, οι ακαθαρσίες είναι αναπόφευκτες. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το πυρίτιο θέρμανσης το κάνει να αντιδρά εύκολα με τα αλογόνα (φθόριο, χλώριο, βρώμιο και ιώδιο) για να σχηματίσει αλογονίδια. Αυτά τα αλογονίδια αφαιρούνται με τη χρήση περισσότερων χημικών ουσιών που διαλύουν και αφαιρούν, έτσι ώστε να μπορεί να εξαχθεί ένας μεγάλος κρύσταλλος για την κατασκευή γκοφρετών. «Ποιο είναι το πρόβλημα που προκαλείται από την αφαίρεση αυτών των ακαθαρσιών;», μπορείτε να ρωτήσετε. Όσο μικρότερο είναι το μέγεθος ενός μεμονωμένου τρανζίστορ, οι πιθανότητες είναι καλύτερες ώστε ακόμη και ένα μικρό άτομο ακαθαρσιών, που θα παραμείνει από τον προηγούμενο καθαρισμό, θα είναι παρόν και θα καταστήσει ένα τρανζίστορ αχρησιμοποίητο.

Το δεύτερο πρόβλημα που πρέπει να αντιμετωπιστεί είναι η λιθογραφία. Για να φτιάξετε τα τρανζίστορ, πρέπει να τα «εκτυπώσετε» σε δίσκο πυριτίου. Αυτό γίνεται με τη λάμψη του φωτός μέσα από ένα καλούπι που ονομάζεται μάσκα, το οποίο διεισδύει στο πυρίτιο και χαράζει το μοτίβο σε γκοφρέτα. Φυσικά, καθώς μειώνετε το μέγεθος του τρανζίστορ σας, πρέπει να κάνετε τη μάσκα σας μικρότερη. Όσο μικρότερη είναι η μάσκα, τόσο πιο δύσκολο είναι να το κάνετε (αρχίζετε να παρατηρείτε ένα συγκεκριμένο μοτίβο εδώ με μείωση του μεγέθους). Έτσι, για να λυθεί αυτό το πρόβλημα, η βιομηχανία ημιαγωγών έχει κάνει μια τεχνική πολλαπλών σχεδίων που παίρνει αρκετές στροφές στη διαδικασία χάραξης για να ενισχύσει την αποτελεσματικότητα της εφαρμογής μάσκας. Ωστόσο, πολλές φορές αυτή η προσέγγιση δεν είναι αρκετή και το υπεριώδες φως έχει πρόβλημα στην εκτύπωση σχεδίων σε πυρίτιο. Έτσι γεννιέται η λιθογραφία Extreme UV ή EUV. Χρησιμοποιεί ένα ισχυρότερο φως
Πηγή με βραχύτερο μήκος κύματος για να χαράξει καλύτερα το σχέδιο και έτσι να μειώσει τα σφάλματα που μπορεί να αντιμετωπίσει η εκτύπωση. Αυτό που το πρόβλημα είναι πραγματικά εδώ, δεν είναι το φως που περνά μέσα από τη μάσκα, είναι η ίδια η μάσκα. Η μάσκα είναι το κρίσιμο στοιχείο σχεδιασμού καθώς μεταφέρει το σχέδιο σας σε πυρίτιο. Εάν δεν μπορείτε να κάνετε ακριβείς και μικρές μάσκες, δεν μπορείτε να πάρετε ένα λειτουργικό τσιπ. Έτσι, η κατασκευή της μάσκας είναι ένα άλλο κρίσιμο βήμα που κάνει το νόμο του Moore σκληρό. Το τρίτο και τελευταίο πρόβλημα είναι τα οικονομικά της κλίμακας. Εκεί έρχεται ο λιγότερο γνωστός δεύτερος νόμος του Moore, ο οποίος προβλέπει ότι το κόστος εγκατάστασης μιας νέας μονάδας παραγωγής θα είναι επίσης δυο φορές πιο ακριβό κάθε δύο χρόνια. Σήμερα, προκειμένου να οικοδομηθεί ένα νέο fab, οι εταιρείες δαπανούν δισεκατομμύρια δολάρια. Η Intel έχει επενδύσει περισσότερα από $ 12B στον αριθμό 42 της στην Αριζόνα, που υποτίθεται ότι κατασκευάζει 7 nm μάρκες κάποια μέρα. Εκτός από το τεράστιο κεφάλαιο που απαιτείται για να ανοίξει ένα νέο fab, οι εταιρείες πρέπει να αναπτύξουν τη δική τους διαδικασία ημιαγωγών κόμβων. Για να τεθούν τα πράγματα σε προοπτική, οι κερδοσκοπίες της βιομηχανίας είναι ότι ξεκινώντας από 5 nm και κάτω, χρειάζονται πάνω από πέντε δισεκατομμύρια δολάρια μόνο για την Ε & Α. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο μόνο 3 χυτήρια αφήνονται να κατασκευαστούν 7 nm και κάτω - Samsung, Intel και TSMC.

Ο δρόμος μπροστά

Για όλες τις εταιρείες που έχουν κεφάλαια για να επενδύσουν σε νέες εγκαταστάσεις παραγωγής και εξοπλισμό, υπάρχουν αρκετές επιλογές για να διαλέξετε, προκειμένου να διατηρηθεί ο νόμος. Προσθέτοντας νέα υλικά, δημιουργώντας νέα είδη τρανζίστορ και εισχωρώντας στην 3η διάσταση.

Η γνωστή εισαγωγή μικρών ποσοτήτων άλλων υλικών σε πυρίτιο («ντόπινγκ») μπορεί να είναι ένα δίκοπο σπαθί. Ένα νέο υλικό μπορεί να ενισχύσει τις ιδιότητες του τρανζίστορ, αλλά αποδεικνύεται απίστευτα δύσκολο να κατασκευαστεί. Αυτή είναι η εμπειρία της Intel με το κοβάλτιο. Το πρόσθεσαν στον κόμβο των 10 nm για να μειώσουν την αντίσταση σε εξαιρετικά μικρά καλώδια που συνδέουν τα τρανζίστορ. Ο χαλκός χρησιμοποιείται συνήθως για αυτά τα καλώδια, αλλά καθώς είναι συσκευασμένο σε μικρότερα καλώδια, τείνει να γίνει πιο ανθεκτικό, οπότε το κοβάλτιο προστίθεται στο ίδιο μέγεθος, η Intel διαπίστωσε ότι έχει μισή αντίσταση από παρόμοια σύρματα από χαλκό. Η προσθήκη αυτή αποδείχθηκε χρήσιμη, αλλά αρκετά δύσκολη στην κατασκευή και αποδόθηκε ανεπαρκώς, οδηγώντας σε καθυστερήσεις στη νέα διαδικασία. Παρά τις καθυστερήσεις, η προσθήκη του επιλύει ένα μεγάλο πρόβλημα που αντιμετώπισαν οι μηχανικοί, δείχνοντας το δυναμικό της ενσωμάτωσης νέων υλικών για την ενίσχυση της απόδοσης. Εάν χρησιμοποιείτε το λεωφορείο, το αλουμίνιο χρησιμοποιήθηκε για αρκετό καιρό πριν ο κλάδος μεταπηδήσει στο χαλκό για τα καλύτερα χαρακτηριστικά των επιδόσεων. Αυτή η μετάβαση δεν πήγε ομαλά, αλλά αποδείχθηκε αρκετά καλά μετά από λίγο χρόνο.

Τα νέα είδη τρανζίστορ είναι επίσης μια επιλογή. Για κάποιο διάστημα η βιομηχανία χρησιμοποίησε πρότυπο CMOS FET ως βασικό τρανζίστορ, το οποίο λειτούργησε καλά μέχρι που δεν μπορούσαμε να ελέγξουμε το ρεύμα που διέρχεται από το τρανζίστορ, κάνοντας τυχαίους διακόπτες που συχνά είχαν ως αποτέλεσμα σφάλματα. Μόλις πρόσφατα, ο νέος σχεδιασμός που ονομάζεται FinFET αντικατέστησε το επίπεδο FET, όπου το πτερύγιο σηκώθηκε και η πύλη άρχισε να περιβάλλει
Πηγή για καλύτερο έλεγχο εάν το τρανζίστορ θα αλλάξει ή όχι. Στην παρακάτω εικόνα μπορείτε να δείτε τη διαφορά που εμφανίστηκε με την εισαγωγή του FinFET, επιτρέποντας στους κατασκευαστές να κατασκευάσουν μικρότερα τρανζίστορ και κυρίως να τα ελέγξουν. Η τελευταία προσέγγιση για την κατασκευή τρανζίστορ είναι η «Gate All Around FET» ή η GAAFET με λίγα λόγια. Το σχέδιό του περιτυλίγει το σύνολο
Πηγή με μια πύλη, για την αποφυγή τυχόν διακοπτών χωρίς πρόθεση. Σχεδιασμένο για χρήση στα 5 nm και κάτω, το GAAFET είναι μια τεχνολογία που θα δούμε πολύ σύντομα. Θα επιτρέψει ακόμα μικρότερα σχέδια τρανζίστορ με ευκολότερο χειρισμό της ενεργοποίησης / απενεργοποίησης.
Και τελευταίο αλλά όχι λιγότερο σημαντικό είναι η 3η διάσταση. Όταν πάμε κάτω από 1 nm και αρχίσουμε να μετράμε το μέγεθος του κόμβου σε πικόμετρα, πολλές δυνάμεις θα εμποδίσουν τη μείωση των τρανζίστορ. Μπορείτε να πάτε μικρά αλλά δεν μπορείτε να σπάσετε τους κανόνες της φυσικής. Η κβαντική σήραγγα είναι πιο παρούσα σε μικρότερες αποστάσεις, έτσι σε ένα σημείο δεν μπορούμε να πάμε μικρότερες στο σχεδιασμό χωρίς να έχουμε το τρανζίστορ να κάνει το διακόπτη σε τυχαίες χρονικές στιγμές. Έτσι, όταν χτυπούμε τα όρια, υπάρχει ακόμα ένα μέρος όπου μπορούν να τεθούν τα τρανζίστορ και αυτός είναι ο κατακόρυφος άξονας. Εάν στοιβάζουμε τρανζίστορ το ένα πάνω στο άλλο, μπορούμε αυτόματα να διπλασιάσουμε, να τριπλασιάσουμε ή και να τετραπλασιάσουμε τον αριθμό των τρανζίστορ ανά τετραγωνικό χιλιοστό, καθιστώντας τις δυνατότητες αυτής της προσέγγισης αρκετά μεγάλες. Χρησιμοποιούμε ήδη αυτή την τεχνολογία στη μνήμη HBM και πρόκειται να μεταφερθεί και στη λογική. Το TSMC επίσης κάνει πακέτα Wafer-on-Wafer που επιτρέπουν την στοιβασία γκοφρέτες το ένα πάνω στο άλλο, οπότε δεν είναι αδύνατο να πάει 3D και να πακετάρετε περισσότερες επιδόσεις στην ίδια περιοχή, αλλά η θερμότητα, ιδιαίτερα η πυκνότητα θερμότητας μπορεί να αποτελέσει πρόβλημα.

Συνοψίζοντας όλα

Η προσωπική μου άποψη είναι ότι ο νόμος του Moore δεν θα τελειώσει σύντομα. Δεν φέτος, ούτε το επόμενο, ούτε το 2025, όταν ο ίδιος ο Gordon Moore προβλέπει ότι ο νόμος θα τελειώσει. Δεν πρόκειται να είναι ένας εύκολος αγώνας για τους κατασκευαστές πυριτίου, αλλά νέες τεχνολογίες είναι ήδη επεξεργασμένες και μερικές από αυτές θα αναπτυχθούν πολύ σύντομα, όπως το GAAFET, το κοβάλτιο και το Wafer-on-Wafer που θα επιτρέψουν πρόσθετες βελτιώσεις στις επιδόσεις . Η συσκευασία τσιπ γίνεται πολύ καλή με την εμφάνιση chiplet, κάνοντας το σχεδιασμό του συστήματος να μοιάζει περισσότερο με ένα κτίριο LEGO παρά με το σχεδιασμό των τσιπ, εάν μπορείτε να συσκευάσετε πολλές διαφορετικές μάρκες δίπλα στο άλλο χωρίς να χρειάζεται να υπάρχει ένα PCB μεταξύ τους.

Το γεγονός ότι ο νόμος του Moore είναι δύσκολο να ακολουθηθεί είναι ότι οι κατασκευαστές πρέπει να γίνουν δημιουργικοί αν θέλουν να ανταγωνιστούν και να κάνουν περισσότερα χρήματα και αυτό δίνει μια τέτοια ομορφιά που είναι ορατή μόνο αν κοιτάξουμε τη μεγαλύτερη εικόνα και συνειδητοποιήσουμε ότι το καλύτερο και οι πιο ενδιαφέρουσες λύσεις είναι να ακολουθήσουν τα φαινομενικά βαρετά χρόνια της εύκολης απόδοσης.
Source: Wikipedia, Samsung (Images)