Компания Intel совместно с партнерами отметила в Украине юбилей действия закона Мура. 50 лет назад Гордон Мур предусмотрел зависимость, согласно которой количество транзисторов, содержащихся в микросхемах, должно удваиваться каждые 2 года. Полвека следования этому закону принесли фантастические результаты, плодами которых мы пользуемся ежедневно.
Делая небольшой исторический экскурс, региональный директор Intel в странах СНГ и России, Дмитрий Конаш, отметил, что точкой отсчета действия закона Мура принято считать 19 апреля 1965 года.
В этот день была опубликована статья автора в журнале Electornics. Это был результат анализа динамики развития полупроводниковой промышленности за несколько лет, которые прошли с момента появления первой интегральной микросхемы. Согласно первоначальному утверждению Мура, количество транзисторов, которое содержится в одном чипе, будет удваиваться каждые 12 месяцев. Именно такой темп технологического развития позволяет увеличивать производительность и возможности микросхем, сохраняя экономическую целесообразность.
В каждый момент времени есть некое оптимальное соотношение количества транзисторов, содержащихся в микросхеме и стоимости изготовления такого чипа. Можно было бы увеличить количество транзисторов, но в этом случае значительно возрастала бы цена производства, а при уменьшении их числа – снижалось бы быстродействие (условно). Изначально прогноз делался на ближайшие 10 лет, то есть до 1975 года. Спустя десятилетие после некоторых поправок, уточненная версия закона предполагала последующее удвоение числа транзисторов каждые 24 месяца. Такая формулировка остается актуальной и до настоящего момента.
Следуя закону Мура, полупроводниковая промышленность развивалась колоссальными темпами. В 1971 году был представлен первый микропроцессор Intel 4004, который содержал 2300 транзисторов и производился по технологии 10 мкм (10 000 нм). Спустя почти 45 лет, процессор Intel Core i7 включает порядка 1,3 млрд. транзисторов, при этом для изготовления кристаллов используется 14-нанометровый техпроцесс. За прошедшее время производительность увеличилась примерно в 3500 раз, а энергоэффективность – в 90 000 раз. При этом стоимость процессоров изменилась незначительно.
Очень важно не только уменьшать размер транзисторов и увеличивать их количество в одной микросхеме, необходимо также создать условия, при которых производить такие кристаллы будет выгодно с экономической точки зрения. Один из способов этого добиться – увеличение диаметра кремниевых пластин.
Большие пластины позволяют повысить выход годных кристаллов, улучшая себестоимость изготовления процессоров. В 1975 году при производстве использовались 100-миллиметровые пластины, сейчас активно применяются пластины диаметром 300 мм. В 2017-ом начнется переход на 450-миллиметровые. Каждое последующее увеличение диаметра пластин требует очень серьезных финансовых затрат. Ведущим мировым производителям приходится действовать сообща, организовывая консорциумы, чтобы снизить расходы на разработку и внедрение соответствующего оборудования.
Увы, не все компании могут выдерживать высокие темпы развития микроэлектроники. С каждым последующим совершенствованием технологии производства, на мировом рынке остается все меньшее количество активных игроков, которые могут предложить полный производственный цикл – разработка архитектуры и самой микросхемы, подготовка технологического обеспечения и непосредственно производство кремниевых кристаллов. Переход на очередной техпроцесс – это миллиардные инвестиции, которые должны окупиться за определенный промежуток времени. При нынешнем темпе развития это всего 2–3 года. Intel – одна из немногих компаний, которой удается выдерживать подобную цикличность.
Сколько еще будет актуален закон Мура для индустрии полупроводников? Очевидно, что бесконечно подобные итерации повторяться не могут. В 2005 году сам Гордон Мур предполагал, что закон будет работать примерно до 2015 года. Дальнейшее уменьшение размеров транзисторов будет вступать в противоречие с фундаментальными законами физики. Но, как мы видим, предложенный принцип все еще остается актуальным. Intel предлагает свои решения в рамках 14-нанометрового техпроцесса, готовится к переходу на 10 нм, уже ведутся работы над 7-нанометровой технологией изготовления кристаллов. То есть в ближайшей перспективе, в пределах как минимум пяти лет, закон Мура будет по-прежнему работать.
Директор Intel в Украине, Дмитрий Калита, не без доли иронии отметил, что уже множество раз предрекали окончание действия закона Мура, как и неоднократно говорили о забвении ПК. Но, реалии таковы, что закон Мура действует, а ПК в свою очередь, жив и постоянно трансформируется.
Изменяются модели использования вычислительных системы и их формы, однако потребности в подобных устройствах только возрастают. Мы сейчас находимся на пороге взрывного роста носимых компьютеров, очевидно приближение эры Internet Of Things (IoT). Даже в сегменте привычных десктопов за последние несколько лет происходят большие изменения.
Intel вскоре представит новые мобильные и десктопные платформы с процессорами на базе архитектуры Intel Core 6-го поколения. 14-нанометровые чипы Skylake будут иметь еще более высокую производительность вычислительных блоков и интегрированной графики.
Мобильная платформа предложит расширенные возможности беспроводной передачи данных. Технология WiGig упростит подключение периферии и позволит без задержек передавать изображение на широкий экран. Ключевой особенностью систем на базе Skylake также станет возможность беспроводной зарядки. Технология Rezence, в основе которой положен принцип магнитного резонанса, позволит пополнять заряд аккумулятора, не подключая систему к электрической розетке. Ожидается, что с выходом новых платформ массовое распространение получат системы, оснащенные камерами с поддержкой Intel RealSense.
Возвращаясь к тонким материям, специалист по применению решений Intel, Сергей Шевченко, отметил, что еще 10 лет назад следование закону Мура предполагало линейное уменьшение размеров транзисторов. Однако в какой-то момент разработчики столкнулись с трудностями, вызванным фундаментальными законами физики. Приближаясь к атомарным размерам, двигаться дальше теми же темпами и способами не представляется возможным.
Intel приходится идти на всевозможные технические ухищрения для дальнейшей миниатюризации полупроводниковых элементов. Технология напряженного кремния, использование металлических затворов и материалов с высокой диэлектрической проницаемостью (High-K), применение 3D-транзистров Tri-Gate, многослойная компоновка 3D NAND для микросхем флеш-памяти. Все эти способы позволяют двигаться дальше не пути технологического прогресса. Он не всегда заметен на первый взгляд, однако результаты, которых удалось достичь за сравнительно небольшой период времени иногда впечатляют. Например, компания Cray в 1985 году потратила $17 млн. на создание суперкомпьютера, который сегодня уступает по производительности нынешним смартфонам. Любопытен и факт, что быстродействие процессора, используемого для «марсохода» Curiosity в 4 раза меньше, чем у чипа современного смартфона.
По словам самого Гордона Мура: «Ничто не может вечно изменяться по экспоненте. Наша работа состоит в том, чтобы максимально продлить этот процесс». Intel уже в течение 50 лет удается следовать закону одного из основателей компании. За этот период на рынке микроэлектроники произошли фантастические изменения. По какому пути в дальнейшем будет развиваться индустрия полупроводников, мы узнаем через некоторое время. Интрига сохраняется.