Mooreov zakon - je li stvarno mrtav?



'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. Tijekom razdoblja dužeg od pet desetljeća vladavina Mooreovog zakona djelovala je, tako da gornji graf izgleda gotovo linearno ako se povuče crta. Ono što odvlači crtu od njene linearnosti, povremene su gužve u proizvodnji s kojima se industrija morala suočiti i na kraju ih je svladala. Kroz povijest je Mooreov zakon više puta proglašavan i predviđao da će biti mrtav, kako se industrija približavala veličinama ispod mikrona. Počevši od 1 µm, mnogi su postali sumnjičavi u održivost zakona i koliko će se dobro održati, ali vrijeme je dokazalo da su ti ljudi pogriješili i već sada koristimo proizvode koji se temelje na čvoru 7 nm.

Izazov
Ono što stvarno pokušava zaustaviti zakon su tri stvari: litografija, nečistoće i ekonomija razmjera.

Prvi problem koji treba riješiti su nečistoće pronađene na razini atoma. Ljevaonice za proizvodnju silicija taljeju kvarcni pijesak kako bi oblikovale veliku kristalnu strukturu koja je izrezana na rezance. Kada se pijesak rastopi, nečistoće su neizbježne. To je zbog činjenice da zagrijavanje silicija olakšava reakciju s halogenima (fluor, klor, brom i jod) kako bi se formirali halogenidi. Ti se halogenidi uklanjaju upotrebom više kemikalija koje ih rastvaraju i uklanjaju kako bi se mogao napraviti veliki kristal za izradu rezina. 'Koji je problem uzrokovan uklanjanjem tih nečistoća?', Mogli biste se pitati. Manje veličine pojedinačnog tranzistora, veće su šanse da će čak i mali atom nečistoće, preostali od prethodnog čišćenja, biti prisutan i učiniti tranzistor neupotrebljivim.

Drugi problem koji treba riješiti je litografija. Da biste napravili tranzistore, morate ih 'tiskati' na silikonskoj rezini. To se postiže sjajem svjetla kroz kalup zvan maska, koji prodire kroz silicij i urezuje uzorak u rez. Naravno, kako smanjujete veličinu tranzistora, masku morate učiniti manjom. Što je maska ​​manja, to je teže napraviti (počnete primjećivati ​​određeni uzorak ovdje s veličinom opada). Dakle, da bi riješio ovaj problem, industrija poluvodiča napravila je tehniku ​​s višestrukim uzorcima koja traje nekoliko okretaja u procesu jetkanja kako bi povećala učinkovitost nanošenja maski. Međutim, često takav pristup nije dovoljan i UV svjetlost ima problema s ispisom na siliciju. Tako je nastala litografija Extreme UV ili EUV. Koristi jače svjetlo
Napisite s kraćom valnom duljinom kako biste bolje oblikovali dizajn i na taj način smanjili pogreške pri ispisu. Ono što je ovdje zapravo problem, nije svjetlost koja prolazi kroz masku, to je sama maska. Maska je kritični element dizajna jer vaš dizajn prenosi u silikon. Ako ne možete napraviti precizne i male maske, ne možete dobiti radni čip. Stoga je izrada maske još jedan kritični korak koji čini Mooreov zakon teškim. Treći i posljednji problem je ekonomija razmjera. Tu dolazi do manje poznatog Mooreovog drugog zakona koji predviđa da troškovi postavljanja novog proizvodnog pogona također postaju dva puta skuplji svake dvije godine. Danas kako bi izgradile novu tvrtku, tvrtke troše milijarde dolara. Intel je uložio više od 12B USD u svoj broj 42 u Arizoni, koji bi trebao proizvoditi 7 nm čipsa neki dan. Uz ogroman kapital potreban za otvaranje nove fabrike, tvrtke trebaju razviti vlastiti postupak čvora poluvodiča. Da bi se stvari stavile u perspektivu, nagađanja u industriji su da su, od 5 nm i niže, potrebno samo pet milijardi dolara samo za istraživanje i razvoj. Zbog toga su preostale samo tri ljevaonice koje proizvode 7 nm i niže - Samsung, Intel i TSMC.

Put naprijed

Za sve tvrtke koje imaju kapital za ulaganje u nove proizvodne pogone i opremu postoji nekoliko opcija koje se mogu odabrati kako bi se zakon nastavio. Dodavanje novih materijala, izrada novih vrsta tranzistora i ulazak u 3. dimenziju.

Svjesno unošenje malih količina drugih materijala u silicij ('doping') može biti mač s dvije oštrice. Novi materijal može poboljšati svojstva tranzistora, ali je nevjerojatno težak za proizvodnju. To je bilo Intelovo iskustvo s kobaltom. Dodali su ga čvoru 10 nm radi smanjenja otpora kod izuzetno malih žica koje povezuju tranzistore. Za te se žice obično koristi bakar, ali kako se pakira u manje žice, ima veću otpornost pa se kobaltu dodaje i jednaka veličina, Intel je otkrio da ima otpor upola manje od sličnih žica izrađenih od bakra. Ovaj se dodatak pokazao korisnim, ali prilično teškim za proizvodnju i loše je dao, što je dovelo do kašnjenja u novom procesu. Unatoč kašnjenjima, njegov je dodatak riješio veliki problem s kojim su se inženjeri suočili, pokazavši potencijal integriranja novih materijala kako bi se poboljšale performanse. Ako se ponovno prisjetite, aluminij se koristio neko vrijeme prije nego što je industrija prešla na bakar radi boljih karakteristika performansi. Ni taj prijelaz nije prošao glatko, ali pokazao se prilično dobro nakon malo vremena.

Nove vrste tranzistora također su opcija. Jedno vrijeme je industrija koristila standardni, ravan CMOS FET kao bazni tranzistor, koji je radio dobro dok nismo uspjeli kontrolirati struju koja prolazi kroz tranzistor, praveći slučajne sklopke što je često rezultiralo greškama. Nedavno je novi dizajn pod nazivom FinFET zamijenio planarni FET, gdje je peraja podignuta i vrata su počela okruživati
Izvor za bolju kontrolu hoće li se tranzistor prebaciti ili ne. Na donjoj slici možete vidjeti razliku koja se pojavila s uvođenjem FinFET-a, omogućavajući proizvođačima da prave manje tranzistore i što je najvažnije kontrolirati ih. Najnoviji način izrade tranzistora je 'Gate All Around FET' ili ukratko GAAFET. Njegov dizajn obuhvaća cjelinu
Izvor s kapima, da biste spriječili moguće prebacivanje bez namjere. Planirano za upotrebu u 5 nm i niže, GAAFET je tehnologija koju ćemo vidjeti vrlo brzo. Omogućit će još manje izrade tranzistora s lakšom manipulacijom uključivanja / isključivanja.
I posljednje, ali ne najmanje bitno, jest 3. dimenzija. Kad zakoračimo ispod 1 nm i počnemo mjeriti veličinu čvora u pikometrima, mnoge sile će spriječiti da tranzistori postanu manji. Možete ići malo, ali ne možete prekršiti pravila fizike. Kvantno tuneliranje je prisutnije na manjim udaljenostima, tako da u jednom trenutku ne možemo ići manje u dizajnu bez da tranzistor napravi prekidač u nasumičnim vremenima. Pa kad pogodimo granice, još uvijek postoji jedno mjesto na koje se mogu staviti tranzistori, a to je okomita os. Ako tranzistore smjestimo jedan na drugi, možemo automatski udvostručiti, utrostručiti ili čak četverostruko povećati broj tranzistora po kvadratnom milimetru, čime je potencijal ovog pristupa prilično velik. Ovu tehnologiju već koristimo u HBM memoriji, a uskoro će se prenijeti i na logiku. TSMC također izrađuje Wafer-on-Wafer pakete koji omogućuju slaganje vaflova jedan na drugi, tako da nije nemoguće napraviti 3D i spakirati više performansi na istom području, ali toplina, posebno gustoća topline može postati problem.

Sve u svemu

Moje osobno mišljenje je da Mooreov zakon neće uskoro završiti. Ne ove godine, niti sljedeće, niti 2025. godine, kada sam Gordon Moore predviđa da će zakon prestati. Neće biti lako borba za proizvođače silicija, ali na novim se tehnologijama već radi i neke od njih će se vrlo brzo implementirati, poput GAAFET-a, kobalta i Wafer-on-Wafer što će omogućiti dodatna poboljšanja performansi , Pakiranje čipova postaje vrlo dobro s pojavom čipsa, pa dizajn sustava izgleda više kao LEGO zgrada, nego dizajn čipa, jeste li mogli spakirati mnogo različitih čipova jedan pored drugog, bez potrebe za PCB-om između njih.

Stvar u Mooreovom zakonu koju je teško slijediti je da proizvođači moraju biti kreativni ako se žele natjecati i zaraditi više novca, a to ovom izazovu daje određenu ljepotu koja je vidljiva samo ako pogledamo širu sliku i shvatimo da je najbolje a najzanimljivija rješenja su praćenje naizgled dosadnih godina lakog stjecanja performansi.
Source: Wikipedia, Samsung (Images)