Немного о «законе Мура». Предел близок?
Согласно «закону Мура», количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, должно удваиваться каждые 24 месяца, а их стоимость – оставаться на одном уровне. Но практически сразу после выдвижения этой гипотезы начались разговоры о «смерти» этого закона – ведь в реальном мире ничто не может расти бесконечно (даже если рост – экспоненциальный).
Как заявлял сам Мур, его «закон» предполагал не только снижение размеров транзисторов, но и падение их стоимости. Как отмечает издание Economist, еще несколько лет назад появилась тенденция, которая может привести к «концу закона Мура». Когда появились транзисторы 28-нм, производители отметили тот факт, что затраты на их создание увеличиваются. На постройку заводов, изготавливающих полупроводники по новым технологиям, необходимо больше $6 млрд. Другими словами: дальнейшее снижение размеров транзисторов возможно, но их стоимость будет расти.
Во времена появления закона Мура проектирование микропроцессоров действительно происходило в соответствии с этим законом. Но с уменьшением размеров транзисторов технологии для их изготовления становятся всё сложнее и изощрённее. Так, в начале 2000-х тоже казалось, что этой прогрессии приходит конец, но различные технические средства, разрабатываемые в то время, поддерживали «жизнь» закона Мура. Был представлен «растянутый» кремний, обеспечивающий производство 90-нм транзисторов.
Для 45-нм транзисторов были изобретены новые материалы, увеличивающие ёмкость (затвора) каждого транзистора. А трёхмерные транзисторы (tri-gate transistors), изготовленные по технологии 22 нм, только поддержали закон Мура.
Но и эти технологии не могут развиваться вечно. Фотолитография, используемая для производства чипов, работает на пределе своих возможностей: свет с длиной волны в 193 нм используют для создания чипов с элементами размером всего 14 нм. Слишком большую длину волны света можно уменьшить, но это ведёт к ещё более сложному и дорогостоящему производству. Так, возлагались надежды на «экстремальный» ультрафиолет с длиной волны всего в 13,5 нм, но оказалось, что его довольно сложно использовать в производстве.
Даже при использовании ультрафиолета неизвестно, насколько можно уменьшать транзисторы. Ведь при размере в 2 нм их ширина составит всего 10 атомов, и тогда они вряд ли будут надёжно работать. Кроме того, в этом случае перед инженерами встанут проблемы энергопотребления и охлаждения: чем плотнее расставлены транзисторы, тем сложнее доставить к ним энергию и отвести её от них.
Конец закону Мура может положить не физика, а экономика
Большие компании вроде Intel и AMD будут инвестировать миллиарды долларов до тех пор, пока они уверены, что прибыль покроет изначальные вложения. Однако каждый раз, когда транзисторы становятся меньше, их производство становится всё дороже.
Таким образом, в ближайшем будущем может наступить момент, когда «гиганты» не будут финансировать разработку более маленьких транзисторов, так как она попросту не будет рентабельной. И если кто-то вроде Intel перестанет гнаться за уменьшением транзисторов, его примеру последуют и остальные производители, что приведёт к «смерти» закона Мура.
Экономический фактор уже влияет на производство микропроцессоров. Так, Intel планировала переключиться на 10-нм транзисторы в 2016 году с процессорами Cannonlake – уменьшенной версией продаваемого сейчас 14-нм Skylake. Но в июле 2015 она поменяла свои планы. Новое поколение процессоров – Kaby Lake – будет выпущено в третьем квартале 2016 года с использованием 14-нм технологии. Планы на Cannonlake и 10-нм остаются, но выпуск этих процессоров ожидается не раньше второй половины 2017 года.
Все это осложняется тем, что новые транзисторы все сложнее использовать. В 1980-х и 1990-х преимущества от дополнительных транзисторов были очевидны – каждое последующее поколение процессоров было быстрее, и компьютеры того времени получали значительный прирост мощности только за счёт улучшения процессоров. Но такое простое увеличение производительности пошло на убыль в начале 2000-х. Частота процессоров сильно ограничивалась из-за нагрева, а мощность одного процессорного ядра росла относительно медленно. Вместо этого, производители стали делать процессоры с несколькими ядрами: теоретически, это увеличивает мощность процессора.
Все эти сложности говорят о том, что производственные планы компаний скоро перестанут опираться на закон Мура. Издательство Nature пишет, что новый план ITRS также будет использовать другой подход. Сейчас производители чипов нацелены на быстро растущий рынок мобильных устройств. Для них нужны чипы не только с логическим модулем (транзисторами) и кэш-памятью, а также с модулями оперативной памяти, регуляции энергопотребления, аналоговыми компонентами для GPS, сотовой связи, Wi-Fi и так далее. Все эти модули сейчас создаются в разных технологических процессах, и для производителей чипов более актуальна интеграция старых и разработка новых технологий построения таких составных микропроцессоров, чем очередное удвоение количества логических транзисторов.
И всё-таки новые технологии ещё могут дать шанс закону Мура. Текущая технология производства микросхем (КМОП), использующая кремний, может быть заменена чем-то другим, в том числе и в 7-нм транзисторах Intel. Более перспективные (по сравнению с кремнием) материалы: антимонид индия (InSb) и арсенид галлия-индия (InGaAs), а также (возможно) углерод, как в форме нанотрубок, так и в форме графена.
Если делать какие-то прогнозы, то в будущем закон Мура не исчезнет полностью. Использование нестандартных материалов может вернуть эту шкалу в строй. Достаточно большой прорыв может пробудить спрос на процессоры, которые попросту быстрее, а не меньше или дешевле.
Но сейчас, когда мы не можем точно сказать о грядущих прорывных инновациях, срок действия закона Мура (в его «последней редакции») подходит к концу. И в этом нет ничего катастрофического: производителям микросхем открываются новые рынки вроде мобильных устройств и машин для дата-центров. Поэтому, даже если закон Мура и «умрёт», это не сильно скажется как на жизни обывателя, так и на жизни производителя.
