Было много разговоров о конце закона Мура в течение по крайней мере десяти лет и о том, какие последствия это будет иметь для современного общества.
С момента изобретения компьютерного транзистора в 1947 году количество транзисторов, встроенных в кремниевые микросхемы, питающие современный мир, неуклонно росла, что привело к экспоненциальному росту вычислительной мощности за последние 70 лет.
Однако транзистор — это физический объект, и, будучи чисто физическим, он подчиняется законам физики, как и любой другой физический объект. Это означает, что существует физический предел того, насколько маленьким может быть транзистор.
Когда Гордон Мур сделал свой знаменитый прогноз о темпах роста вычислительной мощности, никто на самом деле не думал о транзисторах в нанометровом масштабе.
Но по мере того, как мы вступаем в третье десятилетие 21-го века, наша зависимость от упаковки большего количества транзисторов в то же количество кремния приближается к самим границам того, что физически возможно, что заставляет многих беспокоиться о том, что темпы инноваций, которые стали привычными могут закончиться в самом ближайшем будущем.
История транзистора
Реплика первого транзистора на выставке в Белом доме в 2000 году | Источник: Архив Белого дома .
Транзистор представляет собой полупроводник, который обычно имеет не менее трех выводов, которые можно подключить к электрической цепи. Как правило, одна из клемм отвечает за управление протеканием тока через две другие клеммы, что позволяет быстро переключаться в цифровой схеме.
До появления транзистора такое быстрое переключение цепей осуществлялось с помощью термоэмиссионного клапана, широко известного как старая электронная лампа.
Эти ламповые триоды были значительно больше транзистора и требовали значительно большей мощности для работы. Они не являются «твердотельными» компонентами, в отличие от транзисторов, а это означает, что они могут выйти из строя при нормальной работе, потому что они зависят от движения электронов, протекающих внутри трубки, для проведения электронного тока.
Это означало, что электроника на основе электронных ламп большая, горячая и дорогая в эксплуатации, поскольку требует регулярного обслуживания для замены ламп, вышедших из строя по той или иной причине, и, таким образом, может привести к остановке всей электронной машины.
Транзистор был «изобретен» в Bell Labs компании AT&T Джоном Бардином и Уолтером Хаузером Браттейном под руководством Уильяма Шокли. Хотя концепция транзистора существовала примерно за 20 лет до этого, работающая модель транзистора не была построена до тех пор, пока работа не была выполнена в Bell Labs. Шокли усовершенствовал конструкцию 1947 года с помощью транзистора с биполярным переходом в 1948 году, и именно эта реализация впервые пошла в массовое производство в 1950-х годах.
Следующий крупный скачок произошел с пассивацией поверхности кремния, что позволило кремнию заменить германий в качестве полупроводникового материала для транзисторов, а позже и для интегральных схем .
В ноябре 1959 года Мохамед Аталла и Давон Канг из Bell Labs изобрели полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) , который потреблял значительно меньше энергии и был гораздо более масштабируемым, чем транзисторы с биполярным переходом Шокли.
MOSFET по-прежнему являются доминирующим транзистором, используемым сегодня, и, как единое целое, являются наиболее производимыми устройствами в истории человечества. Поскольку полевые MOSFET можно было делать все меньше, все больше и больше транзисторов можно было изготавливать в виде интегральных схем, что позволяло выполнять все более сложные логические операции.
К 1973 году Уильям С. Хиттингер, исполнительный вице-президент RCA по исследованиям и разработкам, хвастался тем, что поместил «более 10 000 электронных компонентов на кремниевый «чип» диаметром всего несколько миллиметров». Сегодняшняя плотность транзисторов намного превышает эти ранние достижения и на порядки.
Гордон Мур случайно изобрел закон Мура
Гордон Мур в своей кабинке в здании Роберта Нойса в Санта-Кларе, Калифорния, 2013 год | Источник: Wikimedia Commons
Имя Гордона Мура не является нарицательным, но его творения есть почти в каждом доме и офисе в промышленно развитых странах. Хотя он впоследствии стал президентом корпорации Intel и, в конечном итоге, ее почетным председателем, Мур не пользовался таким уважением, когда в 1965 году описал то, что мы сейчас называем законом Мура.
Инженер-электрик, Мур работал в отделе лаборатории полупроводников Шокли компании Beckman Instruments, который затем возглавлял сам Шокли. Когда несколько сотрудников Шокли, даже некоторые из его протеже, разочаровались в руководстве Шокли, они по собственной инициативе создали в 1957 году Fairchild Semiconductor, одну из самых влиятельных компаний в истории.
Как директор по исследованиям и разработкам Fairchild Semiconductor, Мур был естественным человеком, который спрашивал о текущем состоянии отрасли, и поэтому в 1965 году журнал Electronics попросил Мура предсказать, где полупроводниковая промышленность будет через десять лет. Глядя на уровень инноваций в Fairchild, Мур просто экстраполировал время вперед.
За несколько лет, прошедших с тех пор, как Fairchild начала производить полупроводники, стоимость производства компонентов снизилась, а размер самих компонентов каждый год уменьшался примерно наполовину. Это позволило Fairchild производить столько же интегральных схем каждый год, но с вдвое большим количеством транзисторов, чем годом ранее.
«Я не ожидал большой точности в этой оценке, — писал Мур в 1995 году . «Я просто пытался донести мысль, [что] у этой технологии есть будущее и что можно ожидать, что в долгосрочной перспективе она внесет значительный вклад».
«Я думаю, что это действительно выдающееся достижение для отрасли. Оставаться на таком экспоненциальном уровне в течение 35 лет, в то время как плотность увеличилась на несколько тысяч, действительно трудно предсказать с какой-либо уверенностью», — добавил Мур.
Прогноз Мура оставался более или менее стабильным в течение примерно десяти лет, после чего Мур пересмотрел свои оценки, удваивая плотность транзисторов каждые два года. «Мне никогда не удавалось детально рассмотреть следующие пару поколений [полупроводников]. Удивительно, однако, что поколения продолжают сменяться одно за другим, удерживая нас на одном и том же склоне», — писал Мур. «Текущий прогноз таков, что это тоже не остановится в ближайшее время». Это могло быть правдой в 1995 году, но вскоре закон Мура начал раздвигать границы физики и столкнулся с экзистенциальным вызовом.
Почему закон Мура в беде?
Источник: Intel
Проблема с законом Мура в 2022 году заключается в том, что размер транзистора сейчас настолько мал, что мы просто не можем сделать больше, чтобы уменьшить его. Затвор транзистора, часть транзистора, через которую электроны текут в виде электрического тока, в настоящее время приближается к ширине всего в 2 нанометра, согласно дорожной карте производства Taiwan Semiconductor Manufacturing Company на 2024 год .
Атом кремния имеет ширину 0,2 нанометра , что соответствует длине затвора 2 нанометра и примерно 10 атомам кремния в поперечнике. В таких масштабах контролировать поток электронов становится все труднее, поскольку все виды квантовых эффектов проявляются внутри самого транзистора. В более крупных транзисторах деформация кристалла в масштабе атомов не влияет на общий поток тока, но когда у вас есть только расстояние около 10 атомов для работы, любые изменения в базовой атомной структуре будут влиять на этот ток . В конечном счете, транзистор приближается к точке, когда он настолько мал, насколько мы можем его сделать, чтобы он все еще функционировал. Способ, которым мы строим и улучшаем кремниевые чипы, приближается к своей последней итерации.
Есть еще одна потенциальная ловушка для закона Мура, и это простая экономика. Стоимость уменьшения размеров транзисторов не снижается так, как это было в 1960-х годах. В лучшем случае он немного уменьшается от поколения к поколению, но недостаток масштаба начинает отягощать производство. Когда спрос на полупроводниковые микросхемы только начал расти, инженерные мощности для производства микросхем были дорогими, но, по крайней мере, они были доступны. При стремительном росте спроса на все, от смартфонов до спутников и Интернета вещей, просто не хватает возможностей для удовлетворения этого спроса, что увеличивает цены на каждом этапе цепочки поставок.
Серверная в дата-центре Facebook | Источник: Facebook/Meta
Более того, когда количество транзисторов удваивается, увеличивается и количество выделяемого ими тепла. Стоимость охлаждения больших серверных помещений становится все более и более неприемлемой для многих предприятий, которые являются крупнейшими покупателями самых передовых процессорных микросхем. Поскольку предприятия пытаются продлить срок службы и производительность своего оборудования, чтобы сэкономить деньги, производители микросхем, ответственные за выполнение закона Мура, получают меньше доходов, которые можно направить на исследования и разработки, которые сами по себе становятся более дорогими.
Без этого дополнительного дохода становится намного сложнее преодолеть все физические препятствия на пути к еще большему уменьшению размера транзисторов. Таким образом, даже если физические проблемы не положат конец закону Мура, это почти наверняка произойдет из-за отсутствия спроса на транзисторы меньшего размера.
Итак, что нам делать?
Что ж, на данный момент это вопрос на триллион долларов. Мы провели последние 70 лет, переживая беспрецедентный технологический прогресс, так что быстрый технический прогресс воспринимается как данность почти каждым промышленно развитым обществом на данный момент.
Как вы вдруг остановите это? На что это вообще похоже? Что бы значило иметь один и тот же iPhone в течение 30 лет? Очевидно, мы могли бы просто справиться с этим как общество. В нашей ДНК нет ничего, что обязывало бы нас покупать новый iPhone каждые два-три года и совершенно новый компьютер каждые пять лет. Мы просто привыкли к такому темпу прогресса, и если этот темп изменится, мы тоже приспособимся к нему.
В конце концов, компьютеры у человечества появились менее чем за столетие, или около 1/250 000 времени нашего существования на этой планете как вида. Мы обязательно найдем способ вынести такие бедствия.
В качестве альтернативы, мы можем с волнением и ожиданием смотреть на окончание закона Мура. В конце концов, невзгоды — мать изобретательности. Мы потратили последние 70 лет, пытаясь выяснить, как уменьшить размер транзистора, и теперь этот путь инноваций подходит к концу.
Это абсолютно не единственный путь вперед, и если мы больше не будем прилагать все усилия к уменьшению размера транзисторов, мы сможем направить эту энергию в другие области и открыть новые прорывы, по сравнению с которыми изобретение транзистора может показаться банальным. Мы не узнаем, пока не изучим эти новые пути инноваций, и конец закона Мура может стать сигналом, который нам нужен, что пора начать искать новый двигатель прогресса.
Закон Мура умер! Да здравствует закон Мура!
Источник: jeuxvideo.com
В конце концов, закон Мура никогда не был «законом» с самого начала, а скорее самоосуществляющимся стремлением. Мы ожидали, что плотность транзисторов будет удваиваться каждый год, а затем каждые два года, и поэтому мы искали, как мы могли бы выполнить эту задачу.
Что бы ни случилось дальше, будь то квантовые вычисления, машинное обучение и искусственный интеллект или даже что-то, для чего у нас еще даже нет названия, мы найдем новое стремление продвигать эту инновацию вперед.
В конце концов, наше увлечение законом Мура никогда не было связано с плотностью транзисторов. Большинство людей, которые слышали о законе Мура, не могли даже начать объяснять, что вообще означает плотность транзисторов, не говоря уже о том, как взаимосвязанные транзисторы образуют логические схемы или как работает смартфон в их кармане (или даже карманный калькулятор 1970-х годов, если уж на то пошло). . Для большинства из нас закон Мура всегда касался наших ожиданий прогресса, а это во многом зависит от нас.
Закон Мура может быть на последнем издыхании, но мы найдем новый закон Мура, если мы достаточно сильно этого захотим.
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК
Опубликуйте материал о вашем проекте, стартапе или технологии
hello@technovery.com