Mooreov zákon - je to naozaj mŕtvy?
'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. 
Po dobu dlhšiu ako päť desaťročí fungovalo pravidlo Mooreovho zákona, takže vyššie uvedený graf vyzerá takmer lineárne, ak by sa nakreslila čiara. To, čo oddeľuje líniu od jej linearity, sú príležitostné čkania vo výrobe, s ktorými sa priemysel musel vyrovnať a nakoniec prekonať. V priebehu histórie bol Mooreov zákon mnohokrát vyhlásený a predpovedaný, že je mŕtvy, pretože sa priemysel blížil k veľkosti mikrometrov. Od 1 µm sa mnohí ľudia stali skeptickí, pokiaľ ide o životaschopnosť zákona a ako dobre by to vydržalo, ale čas ukázal, že títo ľudia sú zlí a teraz už používame produkty, ktoré sú založené na uzle 7 nm.
Výzva
V skutočnosti sa zákon snaží zastaviť tri veci: litografia, nečistoty a úspory z rozsahu.
Prvým problémom, ktorý treba riešiť, sú nečistoty nájdené na úrovni atómov. Zlievárne na výrobu kremíka tavia kremičitý piesok a vytvárajú veľkú kryštálovú štruktúru, ktorá sa rozdeľuje na oblátky. Pri roztopení piesku sú nevyhnutné nečistoty. Je to spôsobené skutočnosťou, že zahrievanie kremíka umožňuje ľahké reakcie s halogénmi (fluór, chlór, bróm a jód) za vzniku halogenidov. Tieto halogenidy sa odstránia použitím väčšieho množstva chemikálií, ktoré sa rozpúšťajú a odstraňujú, takže je možné získať veľký kryštál na výrobu doštičiek. „Aký je problém spôsobený odstránením týchto nečistôt?“, Môžete sa spýtať. Čím je veľkosť jednotlivého tranzistora menšia, je väčšia pravdepodobnosť, že bude prítomný aj malý atóm nečistôt, ktorý zostane po predchádzajúcom vyčistení, a tranzistor bude tak nepoužiteľný.
Druhým problémom, ktorý treba riešiť, je litografia. Ak chcete vyrobiť tranzistory, musíte ich „vytlačiť“ na kremíkovú doštičku. To sa dosahuje žiarením svetla cez formu nazývanú maska, ktorá preniká kremíkom a vyleptáva vzor do oblátky. Prirodzene, ako zmenšujete veľkosť tranzistora, musíte masku zmenšiť. Čím je maska menšia, tým ťažšia je jej výroba (tu si všimnete určitý vzorec so zmenšovaním veľkosti). Aby sa vyriešil tento problém, priemysel polovodičov urobil techniku viacnásobného vzorovania, ktorá trvá niekoľko zákrokov v procese leptania, aby sa zvýšila účinnosť aplikácie masky. Tento postup však často nestačí a ultrafialové svetlo má problémy s tlačou kremíka. Takto sa zrodila litografia Extreme UV alebo EUV. Používa silnejšie svetlo
Zdroj s kratšou vlnovou dĺžkou na lepšie leptanie dizajnu a tým zníženie chýb, s ktorými sa tlač môže stretnúť. Čo je tu skutočne za problém, nie je to svetlo, ktoré prechádza maskou, je to maska samotná. Maska je kritickým prvkom dizajnu, pretože prenáša váš dizajn na kremík. Ak nedokážete vyrobiť presné a malé masky, nemôžete získať pracovný čip. Tvorba masky je teda ďalším kritickým krokom, ktorý sťažuje Mooreov zákon.
Tretím a posledným problémom je ekonomika z rozsahu. Tu prichádza menej známy Mooreov zákon, ktorý predpovedá, že náklady na zriadenie nového výrobného závodu sa tiež zvyšujú dvakrát drahšie každé dva roky. V súčasnej dobe spoločnosti vynakladajú miliardy dolárov, aby vybudovali nový svet. Spoločnosť Intel investovala viac ako 12 miliárd dolárov do svojho veľkého čísla 42 v Arizone, ktoré má jedného dňa vyrobiť čipy 7 nm. Okrem obrovského kapitálu potrebného na otvorenie nového veľtrhu musia spoločnosti vyvinúť aj vlastný proces polovodičových uzlov. Z hľadiska perspektívy sú priemyselné špekulácie také, že od 5 nm a menej je potrebných iba 5 miliárd dolárov na výskum a vývoj. To je dôvod, prečo zostávajú iba tri zlievárne s výrobou 7 nm a menej - Samsung, Intel a TSMC.
Cesta vpred
Pre všetky spoločnosti, ktoré majú kapitál na investovanie do nových výrobných zariadení a vybavenia, existuje niekoľko možností, z ktorých si môžete zachovať zákon. Pridávanie nových materiálov, vytváranie nových druhov tranzistorov a vstupovanie do tretej dimenzie.
Vedomým zavádzaním malých množstiev iných materiálov do kremíka („doping“) môže byť dvojsečný meč. Nový materiál môže zosilniť vlastnosti tranzistora, ale jeho výroba je neuveriteľne ťažká. To bola skúsenosť spoločnosti Intel s kobaltom. Pridali ho do 10 nm uzla, aby znížili odpor v extrémne malých drôtoch spájajúcich tranzistory. Meď sa zvyčajne používa pre tieto drôty, ale keďže je zabalená do menších drôtov, má tendenciu stať sa viac rezistentnou, takže kobalt sa pridáva, pretože má rovnakú veľkosť, spoločnosť Intel zistila, že má polovičný odpor ako podobné drôty vyrobené z medi. Tento prídavok sa ukázal byť užitočným, ale dosť ťažkým vyrobením a priniesol zle, čo viedlo k oneskoreniu v novom procese. Napriek oneskoreniam, jeho pridaním sa vyriešili veľké problémové, ktorým čelia technici, ktoré ukazujú potenciál integrácie nových materiálov na zvýšenie výkonu. Ak remenberáte, hliník sa používal nejaký čas predtým, ako sa priemysel zmenil na meď, aby sa dosiahol lepší výkon charakteristík. Ani tento prechod neprebehol hladko, ale po chvíli sa to ukázalo celkom dobre.
Možnosťou sú aj nové druhy tranzistorov. Na chvíľu priemysel používal štandardný, planárny CMOS FET ako základný tranzistor, ktorý fungoval dobre, až kým sme nemohli ovládať prúd, ktorý prechádza tranzistorom, a robiť náhodné prepínače, ktoré často viedli k chybám. Len nedávno, nový dizajn s názvom FinFET nahradil planárnu FET, kde bola zvýšená plutva a brána začala obklopovať
Zdroj pre lepšiu kontrolu, či sa tranzistor prepne alebo nie. Na obrázku nižšie vidíte rozdiel, ktorý sa objavil pri zavedení FinFET, čo výrobcom umožňuje vyrábať menšie tranzistory a čo je najdôležitejšie ich ovládať.
Najnovší prístup k výrobe tranzistorov je skratka „Gate All Around FET“ alebo GAAFET. Jeho dizajn zabalí celý
Zdroj s bránou, aby sa zabránilo akýmkoľvek možným prepínačom bez úmyslu. Plánované na použitie v 5 nm a menej je GAAFET technológia, ktorú uvidíme veľmi skoro. Umožní to aj menšie konštrukcie tranzistorov s ľahšou manipuláciou so zapnutím / vypnutím.
A v neposlednom rade je to tretia dimenzia. Keď klesneme pod 1 nm a začneme merať veľkosť uzlov v picometroch, veľa síl zabráni zmenšeniu tranzistorov. Môžete ísť malý, ale nemôžete porušiť pravidlá fyziky. Kvantové tunelovanie sa vyskytuje na menších vzdialenostiach, takže v jednom bode nemôžeme v návrhu znížiť veľkosť bez toho, aby sme museli v náhodnom čase prepnúť tranzistor. Takže keď dosiahneme hranice, stále existuje jedno miesto, na ktoré je možné umiestniť tranzistory, a to je zvislá os. Ak stohujeme tranzistory na seba, môžeme automaticky zdvojnásobiť, ztrojnásobiť alebo dokonca štvornásobiť počet tranzistorov na milimeter štvorcový, čím sa potenciál tohto prístupu značne zvýši. Túto technológiu už používame v pamäti HBM a má sa tiež preniesť do logiky. TSMC tiež vyrába balíčky Wafer-on-Wafer, ktoré umožňujú stohovanie oblátok na seba, takže nie je nemožné ísť do 3D a zabaliť väčší výkon do rovnakej oblasti, ale problémom môže byť teplo, najmä hustota tepla.
Celkovo to zhrnieme
Môj osobný názor je, že Mooreov zákon sa neskončí skoro. Ani tento rok, ani ten nasledujúci, ani rok 2025, keď sám Gordon Moore predpovedá, že zákon skončí. Pre výrobcov kremíka to nebude ľahké, ale na nových technológiách sa už pracuje a niektoré z nich sa zavedú veľmi skoro, ako GAAFET, kobalt a Wafer-on-Wafer, čo umožní ďalšie zvýšenie výkonu , Balenie čipov je veľmi dobré vďaka vzhľadu chipletov, vďaka čomu sa dizajn systému javí skôr ako budova LEGO, a nie ako dizajn čipov, keby ste mohli zbaliť veľa rôznych čipov vedľa seba, bez toho, aby ste medzi nimi potrebovali PCB.
Vec Mooreho zákona je ťažké dodržiavať, pretože výrobcovia musia byť kreatívni, ak chcú súťažiť a zarobiť viac peňazí, čo dáva tejto výzve určitú krásu, ktorá je viditeľná iba vtedy, ak sa pozrieme na väčší obrázok a uvedomíme si, že najlepšie a najzaujímavejšie riešenia sú nasledovať zdanlivo nudné roky jednoduchého zvýšenia výkonu.
Source: Wikipedia, Samsung (Images)
Po dobu dlhšiu ako päť desaťročí fungovalo pravidlo Mooreovho zákona, takže vyššie uvedený graf vyzerá takmer lineárne, ak by sa nakreslila čiara. To, čo oddeľuje líniu od jej linearity, sú príležitostné čkania vo výrobe, s ktorými sa priemysel musel vyrovnať a nakoniec prekonať. V priebehu histórie bol Mooreov zákon mnohokrát vyhlásený a predpovedaný, že je mŕtvy, pretože sa priemysel blížil k veľkosti mikrometrov. Od 1 µm sa mnohí ľudia stali skeptickí, pokiaľ ide o životaschopnosť zákona a ako dobre by to vydržalo, ale čas ukázal, že títo ľudia sú zlí a teraz už používame produkty, ktoré sú založené na uzle 7 nm.Výzva
V skutočnosti sa zákon snaží zastaviť tri veci: litografia, nečistoty a úspory z rozsahu.
Prvým problémom, ktorý treba riešiť, sú nečistoty nájdené na úrovni atómov. Zlievárne na výrobu kremíka tavia kremičitý piesok a vytvárajú veľkú kryštálovú štruktúru, ktorá sa rozdeľuje na oblátky. Pri roztopení piesku sú nevyhnutné nečistoty. Je to spôsobené skutočnosťou, že zahrievanie kremíka umožňuje ľahké reakcie s halogénmi (fluór, chlór, bróm a jód) za vzniku halogenidov. Tieto halogenidy sa odstránia použitím väčšieho množstva chemikálií, ktoré sa rozpúšťajú a odstraňujú, takže je možné získať veľký kryštál na výrobu doštičiek. „Aký je problém spôsobený odstránením týchto nečistôt?“, Môžete sa spýtať. Čím je veľkosť jednotlivého tranzistora menšia, je väčšia pravdepodobnosť, že bude prítomný aj malý atóm nečistôt, ktorý zostane po predchádzajúcom vyčistení, a tranzistor bude tak nepoužiteľný.
Druhým problémom, ktorý treba riešiť, je litografia. Ak chcete vyrobiť tranzistory, musíte ich „vytlačiť“ na kremíkovú doštičku. To sa dosahuje žiarením svetla cez formu nazývanú maska, ktorá preniká kremíkom a vyleptáva vzor do oblátky. Prirodzene, ako zmenšujete veľkosť tranzistora, musíte masku zmenšiť. Čím je maska menšia, tým ťažšia je jej výroba (tu si všimnete určitý vzorec so zmenšovaním veľkosti). Aby sa vyriešil tento problém, priemysel polovodičov urobil techniku viacnásobného vzorovania, ktorá trvá niekoľko zákrokov v procese leptania, aby sa zvýšila účinnosť aplikácie masky. Tento postup však často nestačí a ultrafialové svetlo má problémy s tlačou kremíka. Takto sa zrodila litografia Extreme UV alebo EUV. Používa silnejšie svetlo
Zdroj s kratšou vlnovou dĺžkou na lepšie leptanie dizajnu a tým zníženie chýb, s ktorými sa tlač môže stretnúť. Čo je tu skutočne za problém, nie je to svetlo, ktoré prechádza maskou, je to maska samotná. Maska je kritickým prvkom dizajnu, pretože prenáša váš dizajn na kremík. Ak nedokážete vyrobiť presné a malé masky, nemôžete získať pracovný čip. Tvorba masky je teda ďalším kritickým krokom, ktorý sťažuje Mooreov zákon.
Tretím a posledným problémom je ekonomika z rozsahu. Tu prichádza menej známy Mooreov zákon, ktorý predpovedá, že náklady na zriadenie nového výrobného závodu sa tiež zvyšujú dvakrát drahšie každé dva roky. V súčasnej dobe spoločnosti vynakladajú miliardy dolárov, aby vybudovali nový svet. Spoločnosť Intel investovala viac ako 12 miliárd dolárov do svojho veľkého čísla 42 v Arizone, ktoré má jedného dňa vyrobiť čipy 7 nm. Okrem obrovského kapitálu potrebného na otvorenie nového veľtrhu musia spoločnosti vyvinúť aj vlastný proces polovodičových uzlov. Z hľadiska perspektívy sú priemyselné špekulácie také, že od 5 nm a menej je potrebných iba 5 miliárd dolárov na výskum a vývoj. To je dôvod, prečo zostávajú iba tri zlievárne s výrobou 7 nm a menej - Samsung, Intel a TSMC.
Cesta vpred
Pre všetky spoločnosti, ktoré majú kapitál na investovanie do nových výrobných zariadení a vybavenia, existuje niekoľko možností, z ktorých si môžete zachovať zákon. Pridávanie nových materiálov, vytváranie nových druhov tranzistorov a vstupovanie do tretej dimenzie.
Vedomým zavádzaním malých množstiev iných materiálov do kremíka („doping“) môže byť dvojsečný meč. Nový materiál môže zosilniť vlastnosti tranzistora, ale jeho výroba je neuveriteľne ťažká. To bola skúsenosť spoločnosti Intel s kobaltom. Pridali ho do 10 nm uzla, aby znížili odpor v extrémne malých drôtoch spájajúcich tranzistory. Meď sa zvyčajne používa pre tieto drôty, ale keďže je zabalená do menších drôtov, má tendenciu stať sa viac rezistentnou, takže kobalt sa pridáva, pretože má rovnakú veľkosť, spoločnosť Intel zistila, že má polovičný odpor ako podobné drôty vyrobené z medi. Tento prídavok sa ukázal byť užitočným, ale dosť ťažkým vyrobením a priniesol zle, čo viedlo k oneskoreniu v novom procese. Napriek oneskoreniam, jeho pridaním sa vyriešili veľké problémové, ktorým čelia technici, ktoré ukazujú potenciál integrácie nových materiálov na zvýšenie výkonu. Ak remenberáte, hliník sa používal nejaký čas predtým, ako sa priemysel zmenil na meď, aby sa dosiahol lepší výkon charakteristík. Ani tento prechod neprebehol hladko, ale po chvíli sa to ukázalo celkom dobre.
Možnosťou sú aj nové druhy tranzistorov. Na chvíľu priemysel používal štandardný, planárny CMOS FET ako základný tranzistor, ktorý fungoval dobre, až kým sme nemohli ovládať prúd, ktorý prechádza tranzistorom, a robiť náhodné prepínače, ktoré často viedli k chybám. Len nedávno, nový dizajn s názvom FinFET nahradil planárnu FET, kde bola zvýšená plutva a brána začala obklopovať
Zdroj pre lepšiu kontrolu, či sa tranzistor prepne alebo nie. Na obrázku nižšie vidíte rozdiel, ktorý sa objavil pri zavedení FinFET, čo výrobcom umožňuje vyrábať menšie tranzistory a čo je najdôležitejšie ich ovládať.
Najnovší prístup k výrobe tranzistorov je skratka „Gate All Around FET“ alebo GAAFET. Jeho dizajn zabalí celý Zdroj s bránou, aby sa zabránilo akýmkoľvek možným prepínačom bez úmyslu. Plánované na použitie v 5 nm a menej je GAAFET technológia, ktorú uvidíme veľmi skoro. Umožní to aj menšie konštrukcie tranzistorov s ľahšou manipuláciou so zapnutím / vypnutím.
A v neposlednom rade je to tretia dimenzia. Keď klesneme pod 1 nm a začneme merať veľkosť uzlov v picometroch, veľa síl zabráni zmenšeniu tranzistorov. Môžete ísť malý, ale nemôžete porušiť pravidlá fyziky. Kvantové tunelovanie sa vyskytuje na menších vzdialenostiach, takže v jednom bode nemôžeme v návrhu znížiť veľkosť bez toho, aby sme museli v náhodnom čase prepnúť tranzistor. Takže keď dosiahneme hranice, stále existuje jedno miesto, na ktoré je možné umiestniť tranzistory, a to je zvislá os. Ak stohujeme tranzistory na seba, môžeme automaticky zdvojnásobiť, ztrojnásobiť alebo dokonca štvornásobiť počet tranzistorov na milimeter štvorcový, čím sa potenciál tohto prístupu značne zvýši. Túto technológiu už používame v pamäti HBM a má sa tiež preniesť do logiky. TSMC tiež vyrába balíčky Wafer-on-Wafer, ktoré umožňujú stohovanie oblátok na seba, takže nie je nemožné ísť do 3D a zabaliť väčší výkon do rovnakej oblasti, ale problémom môže byť teplo, najmä hustota tepla.
Celkovo to zhrnieme
Môj osobný názor je, že Mooreov zákon sa neskončí skoro. Ani tento rok, ani ten nasledujúci, ani rok 2025, keď sám Gordon Moore predpovedá, že zákon skončí. Pre výrobcov kremíka to nebude ľahké, ale na nových technológiách sa už pracuje a niektoré z nich sa zavedú veľmi skoro, ako GAAFET, kobalt a Wafer-on-Wafer, čo umožní ďalšie zvýšenie výkonu , Balenie čipov je veľmi dobré vďaka vzhľadu chipletov, vďaka čomu sa dizajn systému javí skôr ako budova LEGO, a nie ako dizajn čipov, keby ste mohli zbaliť veľa rôznych čipov vedľa seba, bez toho, aby ste medzi nimi potrebovali PCB.
Vec Mooreho zákona je ťažké dodržiavať, pretože výrobcovia musia byť kreatívni, ak chcú súťažiť a zarobiť viac peňazí, čo dáva tejto výzve určitú krásu, ktorá je viditeľná iba vtedy, ak sa pozrieme na väčší obrázok a uvedomíme si, že najlepšie a najzaujímavejšie riešenia sú nasledovať zdanlivo nudné roky jednoduchého zvýšenia výkonu.
Source: Wikipedia, Samsung (Images)