Закон Мура больше не работает: что ждет полупроводниковую индустрию?
С того момента, как Гордон Мур в 1965 году сделал свое знаменитое наблюдение о том, что количество транзисторов на кристалле удваивается каждые два года, индустрия чипов следовала этому правилу. Долгие десятилетия полупроводниковые технологии уменьшались, становились мощнее и дешевле, соответствуя закону Мура, который стал чем-то вроде путеводной звезды для производителей и разработчиков. Однако сейчас мы находимся в эпоху, когда этот закон, кажется, подходит к своему завершению. Технологический прогресс столкнулся с серьезными препятствиями — не только техническими, но и экономическими.
Снижение размеров транзисторов действительно привело к огромному увеличению их числа на чипах. Если в 1970 году длина затвора транзистора была десять микрон, то к началу 2000-х она уменьшилась до 90 нанометров. Но как только транзисторы достигли этих размеров, начались проблемы с утечкой тока из-за квантовых эффектов. С уменьшением дистанции между каналами ток стал протекать даже в тех случаях, когда транзистор должен был быть выключен. Это означало, что чипы нагревались и больше не могли повышать свою производительность таким же темпом, как раньше. Так завершилась эпоха, известная как «Dennard scaling», когда уменьшение размеров транзисторов автоматически означало снижение энергопотребления и увеличение скорости.
Ответом на эту проблему стало использование многоядерной архитектуры. Вместо повышения частоты процессора разработчики стали увеличивать количество ядер, чтобы обеспечивать выполнение множества операций одновременно. Однако даже с этим подходом производители были вынуждены отключать часть транзисторов — так называемый «темный кремний» — чтобы не допустить перегрева. Многоядерная архитектура позволила продлить жизнь закону Мура, но проблемы, связанные с утечкой тока, оставались, и это требовало более радикальных решений.
В 2011 году Intel предложила новое решение — транзисторы FinFET. Вместо традиционного плоского канала транзистор стал похож на плавник, который проходит через затвор. Это позволило лучше контролировать ток даже в выключенном состоянии и уменьшить утечку, что в свою очередь снизило энергопотребление примерно на 50%. Однако даже такая модернизация имела свои пределы. В какой-то момент стало ясно, что нельзя бесконечно добавлять «плавники», и чтобы продолжать уменьшать транзисторы, пришлось пойти еще дальше. Так появилась технология «gate all around» (GAA), когда затвор окружает канал со всех сторон. Samsung стала первой, кто предложил такую технологию в серийных чипах, и в ближайшее время к ней присоединятся Intel и TSMC.
Но и эта технология не решает проблему на долгий срок. Чем меньше становится транзистор, тем сложнее контролировать ток, и тем острее встает вопрос о материалах, которые могут использоваться в производстве. Кремний, несмотря на свою популярность, подходит к своим физическим ограничениям. В качестве альтернативы рассматриваются такие материалы, как двумерные дихалькогениды переходных металлов (например, дисульфид молибдена и дисульфид вольфрама), которые могут быть созданы в слоях толщиной всего в несколько атомов. Еще один кандидат — углеродные нанотрубки, которые могут обеспечивать лучшее управление током и повышенную скорость. В 2023 году в Пекинском университете создали транзистор с нанотрубками, который может масштабироваться до размеров 10-нм кремниевого техпроцесса. Однако и тут есть проблема: производство этих новых материалов еще слишком нестабильно, и пока неясно, как они будут интегрироваться с нынешними производственными процессами.
Государство планирует «собрать» микроэлектронику
Помимо новых материалов, есть еще один способ — перейти к трехмерной архитектуре чипов. Если больше нельзя укладывать транзисторы в одной плоскости, их можно начать укладывать слоями. Intel, к примеру, утверждает, что при использовании такой технологии можно создать инвертор в два раза компактнее, чем при обычном подходе. Стекание транзисторов друг на друга открывает новые возможности для дальнейшего увеличения плотности и производительности, несмотря на физические ограничения.
Все это ведет к тому, что создание новых чипов становится невероятно сложным и дорогим процессом. Если в 1960-е годы строительство завода по производству чипов стоило около $31 млн (в пересчете на сегодняшние деньги), то сейчас создание новых фабрик обходится в миллиарды. Заводы TSMC в Аризоне оцениваются в $20 млрд каждый. Кроме того, стоимость самого оборудования для литографии тоже значительно возросла.
Новейшие машины для литографии в экстремальном ультрафиолете (EUV), которые производит нидерландская компания ASML, стоят по $350 млн за штуку и весят как два самолета Airbus.
Это оборудование использует лазеры для создания плазмы, которая затем формирует изображение на кремниевой пластине, и такой подход позволяет создавать чипы на техпроцессе менее 2 нм. Но, как утверждают в TSMC, даже такие машины слишком сложны и дороги для производства чипов нового поколения.
На фоне этих вызовов появились новые подходы к развитию. Например, в NVIDIA считают, что дальнейшее развитие вычислительных мощностей больше не будет связано исключительно с уменьшением транзисторов. Так называемый «закон Хуанга», названный в честь основателя компании Дженсена Хуанга, говорит о том, что главный путь к повышению производительности теперь лежит через улучшение архитектуры, алгоритмов и оптимизацию процессов. За последние десять лет NVIDIA удалось увеличить производительность своих графических процессоров в задачах искусственного интеллекта в 1000 раз. Это было достигнуто не только за счет новых техпроцессов, но и благодаря инновациям в алгоритмах и разработке специализированных ускорителей, таких как Hopper с динамическим сочетанием операций с плавающей запятой и целочисленных вычислений.
Закон Мура, который обеспечивал экспоненциальный рост производительности на протяжении 40 лет, действительно близок к своему завершению. Но это не значит, что прогресс в вычислительных мощностях остановится.
Полупроводниковая индустрия активно ищет альтернативы: новые материалы, трехмерные структуры, более эффективные алгоритмы и архитектуры. Вполне возможно, что мы стоим на пороге новой эры, когда старые законы уступят место новым, более сложным и многогранным решениям. Технологии движутся вперед, и, возможно, через несколько лет «закон Хуанга» станет такой же важной вехой, какой был «закон Мура» для предыдущих поколений.