Закон Мура и перспективы развития микроэлектроники
40 лет назад микроэлектроника пребывала в зачаточном состоянии. Чипов тогда производилось совсем мало, в самой сложной микросхеме компании Fairchild было всего 64 транзистора, о каких-либо достоверных статистических данных в этой отрасли не приходилось и говорить. Остается лишь поражаться, как в таких обстоятельствах Гордон Мур сумел предугадать фантастические темпы развития всей отрасли на несколько десятилетий вперед и предсказать, что количество транзисторов на чипе ежегодно будет удваиваться. Более того, одновременно он сделал провидческий прогноз последствий этого, предсказав, что по мере экспоненциального увеличения числа транзисторов на микросхеме процессоры будут становиться все более дешевыми и быстродействующими, а их производство- все более массовым.
По своей сути закон Мура является не законом природы, а, скорее, эмпирическим правилом. В своей первоначальной формулировке он действовал до 1975 года, когда, выступая на конференции "International Electron Devices Meeting", Гордон Мур внес в него коррективы, высказав предположение, что при производстве все более сложных чипов удвоение числа транзисторов будет происходить каждые два года. И опять он оказался прав, разве что в последние годы количество транзисторов на микропроцессоре порой удваивается с интервалом в полтора года.
| Микропроцессор | Год выпуска | Число транзисторов |
|---|---|---|
| 4004 | 1971 | 2.300 |
| 8008 | 1972 | 2.500 |
| 8080 | 1974 | 5.000 |
| 8086 | 1978 | 29.000 |
| 286 | 1982 | 120.000 |
| Процессор Intel 386 TM | 1985 | 275.000 |
| Процессор Intel 486 TM | 1989 | 1.180.000 |
| Процессор Intel® Pentium® | 1993 | 3.100.000 |
| Процессор Intel® Pentium® II | 1997 | 7.500.000 |
| Процессор Intel® Pentium® III | 1999 | 24.000.000 |
| Процессор Intel® Pentium® 4 | 2000 | 42.000.000 |
| Процессор Intel® Itanium® | 2002 | 220.000.000 |
| Процессор Intel® Itanium® 2 | 2003 | 410.000.000 |
Почему столь простая формулировка закона развития микроэлектроники вот уже сорок лет на все лады цитируется во всем мире, став своеобразным фетишем для тех, кто работает на рынке информационных технологий? И почему закон Мура стал настолько универсальным, что его без колебаний применяют при прогнозировании роста Интернета и пропускной способности каналов связи, для предсказания увеличения емкости жестких дисков и многого другого?
Происходит все это, прежде всего, потому, что закон Мура в на редкость простой, доступной пониманию каждого форме определяет фантастические, недоступные ни одной другой отрасли экономики, темпы развития полупроводниковой индустрии. На ее стремительном росте сегодня зиждется вся мировая экономика, которая уже просто немыслима без компьютеров всех сортов. Некоторые аналитики даже предсказывают, что «конец эпохи закона Мура» приведет к новой великой депрессии, до самых основ потрясшей американскую экономику в 30-е годы прошлого века. Так или иначе, обнаруживая действие закона Мура во все новых сферах высоких технологий, мы лишь подтверждаем наличие постоянного, очень быстрого прогресса технологий, а значит, и всей мировой экономики.
Любопытные факты и цифры
- В 2003 году Гордон Мур подсчитал, что количество транзисторов, ежегодно поставляемых на рынок, достигло 10.000.000.000.000.000.000 (10).
- Разрабатываемый сейчас в Intel метод производства микропроцессоров предусматривает, что расстояние между транзисторами на чипе составит одну десятитысячную толщины человеческого волоса. Это равносильно тому, чтобы провести автомобиль по прямой длиной в 650 км с отклонением от оси менее 2,5 см.
- В 1978 году авиабилет по маршруту Нью-Йорк — Париж стоил около 900 долларов, а перелет длился около 7 часов. Если бы авиаиндустрия развивалась в соответствии с законом Мура, то сегодня авиабилет на тот же маршрут стоил бы менее цента, а перелет занял бы менее одной секунды.
- За время существования корпорации Intel (т.е. с 1968 года) себестоимость производства транзисторов упала до такой степени, что теперь обходится примерно во столько же, сколько стоит напечатать любой типографский знак — например, запятую.
- В процессе разработки микропроцессоров, содержащих один миллиард транзисторов, Intel уменьшила величину транзисторов до такой степени, что теперь на булавочной головке могут разместиться 200 млн транзисторов.
- Современные транзисторы производства корпорации Intel открываются и закрываются со скоростью полтора триллиона раз в секунду. Чтобы включить и выключить электрический выключатель полтора триллиона раз, человеку потребовалось бы 25 тысяч лет.
Что дальше?
За истекшие сорок лет скептики сотни раз предсказывали закону Мура скорую кончину, но ученые и инженеры Intel своими открытиями и неустанным трудом снова и снова подтверждали провидческий дар и безупречность выводов одного из отцов-основателей корпорации.
На весеннем (2002 г.) Форуме Intel для разработчиков (IDF) главный технический директор корпорации Intel Патрик Гелсингер сказал: «Наша задача состоит сегодня не только в том, чтобы продлить жизнь закону Мура, но и в том, чтобы максимально расширить сферу его действия, распространив его и на другие области». Первоначально закон Мура был простым выводом из наблюдений за первыми этапами развития индустрии микропроцессоров, этаким эмпирическим постулатом. Но уже через несколько лет он стал руководящим принципом развития для всей отрасли, а теперь иначе как законом его никто и не называет. «Честно говоря, я часто спрашивал себя, когда же закончится действие закона Мура, как долго мы еще сможем пользоваться его плодами? — говорит П. Гелсингер. — В 1980 году, когда я пришел в Intel, мы ломали голову над тем, как достичь технологической нормы производства микропроцессоров в 1 микрон. В девяностые годы перед нами встала задача внедрить технологическую норму в одну десятую микрона, и опять она казалась нам недостижимой. А сегодня мы думаем о том, как преодолеть барьер в одну сотую микрона. Могу пообещать вам, что до моей пенсии, то есть в течение еще двадцати пяти лет, закон Мура будет действовать. Уверен, что еще не одно десятилетие он будет руководящим принципом развития отрасли».
«Закон Мура — основной лейтмотив нашей деятельности в области конвергенции вычислительных и коммуникационных возможностей, — заявил глава корпорации Intel Крейг Барретт, открывая весенний (этого года) Форум Intel для разрабтчиков. — Приверженность корпорации Intel закону Мура позволяет нам создавать интегрированные платформы, которые предоставляют широкий диапазон возможностей для отдельных людей и организаций, использующих эти технологии. Для эффективной реализации всего потенциала новых возможностей все большее значение приобретают процесс внедрения инноваций и общеотраслевое сотрудничество». Со своей стороны, в своем выступлении на последнем IDF Паоло Джарджини, директор по технологической стратегии корпорации Intel, подтвердил, что закон Мура продолжает действовать и что в полном соответствии с ним корпорация Intel продолжает вводить новые технологические процессы каждые два года. Залогом успешной деятельности Intel на этом направлении служат ежегодные многомиллиардные вложения корпорации в научно-исследовательские разработки, постоянную модернизацию и расширение своих производственных мощностей. Достаточно сказать, что в 2005 году Intel планирует израсходовать на эти цели более 10 млрд долларов.
В 2005 году начнется производство чипов по технологии 65 нанометров, на 2007-й намечен переход на 45-нанометровый процесс, на 2009 год — внедрение 32-нанометрового, а в 2011 году настанет черед технологического процесса 22 нм. Как подчеркнул Паоло Джарджини, в корпорации Intel уже есть конкретные научно-технические разработки, которые позволяют реализовать все эти планы.
Тогда же Паоло Джарджини заявил, что вплоть до 2020 года Intel cможет создавать транзисторы по современной схеме работы — с электродами и затвором между ними. К тому времени, однако, размеры всех элементов транзистора достигнут атомарных размеров, и уменьшать их дальше будет просто невозможно. Следовательно, уже сейчас необходимо искать новые подходы. Один из них — организация передачи сигнала на уровне элементарных частиц, путем спиновых волн.
В лабораториях Intel уже сейчас разрабатываются идеи, которые будут воплощены в чипах только лет через 10. Одна чисто теоретическая идея заключается в многократном использовании электронов. В современных архитектурах электроны перемещаются от истока к стоку, а затем теряются. «При утилизации вы просто переносите электрон в другое место, — пишет Джарджини в одной из своих работ. — Можно производить множество операций, не теряя электронов».
Другая альтернатива — углеродные и кремниевые нанотрубки. Транзисторы, изготовленные из таких материалов, имеют сопоставимые размеры. Диаметр углеродных нанотрубок — 1-2 нм, но в экспериментальных транзисторах исток и сток расположены по их длине. Это позволяет повысить быстродействие и уменьшить потребляемую энергию, однако размер больше не сократится.
«Экзотические структуры, такие как углеродные нанотрубки, могут найти применение в технологии КМОП (комплементарные металл-оксидные полупроводники) не столько для ускорения темпов миниатюризации, сколько для повышения производительности устройств или, возможно, упрощения их изготовления, — пишет Джарджини. — Даже если для цифровой логики будет изобретено принципиально иное средство перемещения электронов, возможности его масштабирования для повышения плотности и производительности не зайдут много дальше пределов, достижимых технологией КМОП, главным образом, из-за ограничений, налагаемых требованием отвода тепла».
Следующая альтернатива — изготавливать чипы больших размеров, наращивая их площадь или строя трехмерные многослойные микросхемы. Такие решения предлагал сам Гордон Мур, а также профессор Стэнфордского университета Том Ли и некоторые другие исследователи. Каким путем пойдет дальнейшее развитие полупроводников — покажет время.
Закoн Мура: каким путем пойдет дальнейшее развитие полупроводников
В следующем году Закону Мура исполнится 45 лет. По мнению Intel, его действие не заканчивается.
19 апреля 1965 г. в журнале Electronics (vol. 39, № 8), в рубрике «Эксперты смотрят в будущее» вышла статья Гордона Мура «Объединение большего количества компонентов в интегральных схемах» (Gordon Moore. Cramming more components onto integrated circuits). В ней будущий сооснователь корпорации Intel, работавший в то время директором отдела разработок компании Fairchild Semiconductors, дал прогноз развития микроэлектроники на ближайшие десять лет на основании анализа шестилетнего развития микроэлектроники, предсказав, что количество элементов на кристаллах электронных микросхем будет и далее удваиваться каждый год. Вскоре эта эмпирически подмеченная закономерность получила название закона Мура (Moore’s Law) и стала, пожалуй, самым знаменитым обобщением в IT-сфере и полупроводниковой индустрии, задав фундаментальный вектор развития технологии, которому разработчики микропроцессоров невольно стараются следовать вот уже более сорока лет. Хотя, строго говоря, закон Мура не принадлежит к числу научных – физических или математических – законов, на базе которых строятся современные представления об окружающем мире, он оказался очень удобным для прогнозирования прогресса в микроэлектронике.
Закон Мура в простой и доступной форме определяет фантастические, недоступные ни одной другой отрасли темпы развития полупроводниковой индустрии. На ее стремительном росте сегодня зиждется вся мировая экономика, уже немыслимая без компьютеров. Обнаруживая действие закона Мура во все новых сферах высоких технологий, мы лишь подтверждаем наличие постоянного и стремительного прогресса.
В пору, когда Мур сделал свое предсказание, микроэлектроника пребывала в зачаточной фазе своего развития. Первый транзистор был создан в 1947 году, но лишь в 1956 году за его открытие Бардину, Браттейну и Шокли вручили Нобелевскую премию по физике. Первая микросхема заработала 12 сентября 1958 года в компании Texas Instruments, но Нобелевскую премию по физике за ее изобретение присудили лишь в 2000 году. Создателями микросхемы, то есть «отцами» современной микроэлектроники считаются Джек Килби и Роберт Нойс – один из основателей Intel. Кстати, к 1965 году в самой сложной микросхеме компании Fairchild было всего лишь 64 транзистора, и о каких-либо достоверных статистических данных в этой отрасли не приходилось и говорить. Поэтому остается лишь поражаться, как в таких обстоятельствах Гордон Мур сумел предугадать головокружительные темпы развития всей отрасли на несколько десятилетий вперед.
Выступая в 1975 году на конференции International Electron Devices Meeting, Гордон Мур отметил, что за прошедшее десятилетие количество элементов на кристаллах действительно удваивалось каждый год, однако в будущем, когда сложность чипов возрастет, удвоение числа транзисторов (и соответствующее уменьшение их размеров) в микросхемах будет происходить несколько медленнее – каждые два года. Это новое предсказание также сбылось, и закон Мура продолжает в этом виде (удвоение за два года) действовать поныне (то есть в течение почти 30 лет!), в последнее время немного ускорившись до удвоения за 18 месяцев, что можно наглядно проследить на примере деятельности лидера современной полупроводниковой индустрии – корпорации Intel.
В действительности, закон Мура базируется на экономике. Ведь каждая новая технологическая генерация требует существенных инвестиций в оборудование, сооружения, технологии, обучение персонала. Эти затраты должны окупиться и принести прибыль, из которой финансируются новые научные исследования. Для этого требуется около полутора – двух лет. Казалось бы, дальнейшая эксплуатация этих ресурсов дает наибольшую прибыль, однако здесь вступаю в силу законы конкуренции и, как правило, за этот период (2 года) появляется целый ряд компаний, владеющих такой же технологий, что заставляет лидеров переходить к следующему, более высокому уровню интеграции элементов.
Гордон Мур
Почетный председатель совета директоров и основатель корпорации Intel получил степень бакалавра химии в Университете Беркли в Калифорнии, затем – степень доктора наук в области химии и физики в Калифорнийском Технологическом институте. В 1968 году Мур совместно с Робертом Нойсом основали корпорацию Intel. Здесь Мур первое время занимал должность исполнительного вице-президента, а в 1975 году был назначен президентом и главным исполнительным директором Intel. В 1979 году его избрали председателем совета директоров, и в этой должности он проработал до 1987 года.
Гордон Мур является членом Национальной Академии технических наук, почетным членом Института инженеров по электротехнике и электронике, председателем совета попечителей Калифорнийского Технологического института. В 1990 году он был награжден Национальной медалью за достижения в сфере технологий, в феврале 2002 года удостоился медали Бауэра, которая ежегодно присуждается Институтом науки и искусств имени Франклина за выдающийся вклад в развитие науки и технологий. Как отмечается в официальном сообщении Института, Гордон Мур награжден медалью Бауэра за «новаторство и обширный вклад в развитие полупроводниковых технологий, а также за горячую приверженность идеям использования научных открытий на благо общества». Наряду с медалью Бенджамина Франклина медаль Бауэра считается одной из старейших и наиболее престижных наград США за научные достижения. Награды Института, которые часто называют американскими Нобелевскими премиями, вручаются с 1824 года. Их лауреатами в свое время стали такие всемирно известные ученые, как Альберт Эйнштейн, Томас Эдисон, Мария и Пьер Жан-Клод Кюри, Жак Ив Кусто. Как подчеркивают представители Института, «свидетельством выдающихся технических и предпринимательских достижений Гордона Мура служит его новаторский подход, изменивший современный мир благодаря изобретению все более быстрых, компактных и все более доступных по цене микропроцессоров».
Интересные цифры
В 2003 году Гордон Мур подсчитал, что количество транзисторов, ежегодно поставляемых на рынок, достигло 10.000.000.000.000.000.000 (10 19 ).
Разрабатываемый сейчас в Intel метод производства микропроцессоров предусматривает, что расстояние между транзисторами на чипе составит одну десятитысячную толщины человеческого волоса. Это равносильно тому, чтобы провести автомобиль по прямой длиной в 650 км с отклонением от оси менее 2,5 см.
В 1978 году авиабилет по маршруту Нью-Йорк – Париж стоил около 900 долларов, а перелет длился 7 часов. Если бы авиаиндустрия развивалась в соответствии с законом Мура, то сегодня авиабилет на тот же маршрут стоил бы менее цента, а перелет занял бы менее одной секунды.
За время существования корпорации (с 1968 года) себестоимость производства транзисторов упала до такой степени, что теперь обходится примерно во столько же, сколько стоит напечатать любой типографский знак — например, запятую.
В процессе разработки микропроцессоров, содержащих один миллиард транзисторов, удалось уменьшить величину транзисторов до такой степени, что теперь на булавочной головке могут разместиться 200 млн. таких элементов.
Современные транзисторы производства корпорации Intel открываются и закрываются со скоростью полтора триллиона раз в секунду. Чтобы включить и выключить электрический выключатель полтора триллиона раз, человеку потребовалось бы 25 тысяч лет.
Перспективы
За истекшие 44 года скептики сотни раз предсказывали закону Мура скорую «кончину», но ученые и инженеры своими открытиями и неустанным трудом снова и снова подтверждали провидческий дар и безупречность выводов одного из основателей корпорации.
На весеннем Форуме Intel для разработчиков (IDF), проходившем в 2002 году, главный технический директор корпорации Патрик Гелсингер сказал:
Наша задача состоит сегодня не только в том, чтобы продлить жизнь закону Мура, но и в том, чтобы максимально расширить сферу его действия, распространив его и на другие области». «Честно говоря, я часто спрашивал себя, когда же закончится действие закона Мура, как долго мы еще сможем пользоваться его плодами? — говорит Гелсингер — В 1980 г., когда я пришел в Intel, мы ломали голову над тем, как достичь технологической нормы производства микропроцессоров в 1 микрон. В 90-е годы перед нами встала задача внедрить технологическую норму в одну десятую микрона, и опять она казалась недостижимой. А сегодня мы думаем о том, как преодолеть барьер в сотую долю микрона… Закон Мура будет жить. Уверен, что еще не одно десятилетие он будет руководящим принципом развития отрасли».
Одной из «непреодолимых» проблем считалась невозможность дальнейшего уменьшения толщины подзатворного диэлектрика, что требовалось для сохранения емкости при уменьшении топологических размеров транзистора. Действительно, уже при 65 нм технологии толщина подзатворного диэлетрика составляет 1,2 нм (5 молекулярных слоев!), и дальнейшее ее уменьшение неизбежно приводит к катастрофическому росту токов утечки. Однако инженеры Intel решили эту проблему кардинально: они отказались от традиционного материала диэлектрика – диоксида кремния – и перешли к новому компоненту с существенно большей диэлектрической константой (high-k) – оксиду гафния. Это позволило достичь требуемой емкости при приемлемых толщинах диэлектрика. Это был столь существенный технологический скачок, что Гордон Мур написал:
Реализация high-k… означает наиболее революционное изменение в технологии со времени изобретения MOS-транзисторов с поликремниевыми затворами в конце 60-х годов».
В своем выступлении на осеннем IDF 2005 года Паоло Джарджини, директор по технологической стратегии корпорации Intel, подтвердил, что закон Мура продолжает действовать, что в полном соответствии с ним Intel продолжает вводить новые технологические процессы каждые два года. Залогом успешной деятельности в этом направлении служат ежегодные многомиллиардные вложения корпорации в исследования и разработки, постоянную модернизацию и расширение своих производственных мощностей.
В 2005 году началось производство чипов по технологии 65 нанометров, в 2007-м был осуществлен переход на 45-нанометровый процесс, 2009 г. — внедрение 32-нанометрового, а в 2011 году настанет черед 22 нм. Как подчеркивает Паоло Джарджини, вплоть до 2020 года Intel сможет создавать транзисторы по современной схеме работы — с двумя электродами и затвором между ними. К тому времени, однако, размеры всех элементов транзистора достигнут атомарных и уменьшать их дальше будет невозможно. Следовательно, уже сейчас необходимо искать новые подходы. Один из них — организация передачи сигнала с использованием спиновых волн.
В лабораториях уже сейчас разрабатываются идеи, которые будут воплощены в чипах только через 10–15 лет. Одна чисто теоретическая идея заключается в многократном использовании электронов. В современных архитектурах электроны перемещаются от истока к стоку, а затем теряются.
При утилизации вы просто переносите электрон в другое место, — пишет Джарджини в одной из своих работ. — Можно производить множество операций, не теряя электронов».
Другая альтернатива — углеродные нанотрубки и кремниевые нанопровода, в которых можно достичь более высокой скорости электронов. Транзисторы, изготовленные из таких материалов, имеют сопоставимые размеры. Диаметр углеродных нанотрубок составляет 1–2 нм, но в экспериментальных транзисторах исток и сток расположены по их длине. Это позволяет повысить быстродействие и уменьшить потребляемую энергию, однако размер сильно не сократится.
Экзотические структуры, такие как углеродные нанотрубки, могут найти применение в технологии КМОП (комплементарные металл-оксидные полупроводники) не столько для ускорения темпов миниатюризации, сколько для повышения производительности устройств или, возможно, упрощения их изготовления, — пишет Джарджини. — Даже если для цифровой логики будет изобретено принципиально иное средство перемещения электронов, возможности его масштабирования для повышения плотности и производительности не зайдут много дальше пределов, достижимых технологией КМОП, главным образом, из-за ограничений, налагаемых требованием отвода тепла».
Другое решение — изготавливать чипы больших размеров, наращивая их площадь или строя трехмерные многослойные микросхемы. Такие решения предлагал сам Гордон Мур, а также профессор Стэнфордского университета Том Ли и некоторые другие исследователи. Каким путем пойдет дальнейшее развитие полупроводников — покажет время.
Так или иначе, практическая деятельность Intel не только продлевает жизнь закону Мура, но и распространяет его действие на самые разные сферы. Микропроцессоры становятся вездесущими, а достижения высоких технологий — максимально демократичными, поскольку наравне с традиционными сферами применения предлагается использовать их и в новых областях – в беспроводных технологиях, сенсорах и сенсорных сетях, а также в оптических устройствах. В следующем году Закону Мура исполнится 45 лет. По мнению Intel, его действие не заканчивается.
2.2 Закон Мура и другие тенденции
Одна из основных тенденций развития микроэлектронной промышленности была впервые сформулирована ещё в 1965 году сотрудником компании Intel Гордоном Муром (Gordon Moore). На основе анализа имевшихся в его распоряжении данных он констатировал, что количество транзисторов в ИС за год увеличивается примерно в два раза. Это формулировка получила названия закона Мура. В несколько изменённой форме закон Мура и сегодня определяет развитие микроэлектроники, а ITRS составляется таким образом, чтобы отвечать его положениям. На рис.2.1 приведены зависимости количества транзисторов на одном кристалле от года изготовления ИС. Видно, что до 1970 года закон Мура исполнялся в точности так, как его сформулировал автор. Однако затем произошло снижение темпов интеграции и в настоящее время закон Мура обычно формулируют в следующем виде: «Количество транзисторов на кристалле удваивается каждые 1,5–2 года». Данные, приведённые на рис.2.1, свидетельствуют о том, что интеграция схем памяти происходит с несколько большими темпами, чем развитие микропроцессорных ИС. Прогноз на будущее предполагает возможность некоторого снижения темпов интеграции ИС памяти, что связано с трудностями, возникающими при масштабировании. Вторая тенденция развития микроэлектроники напрямую связана с первой и заключается в непрерывном и пропорциональном уменьшении характерных размеров элементов ИС (см. рис. 1.1.). В настоящее время на лабораторных образцах ИС показано, что закон Мура может сохранить своё действие вплоть до 2020 г., когда топологическая норма для схем памяти достигнет величины 14 нм, а физическая длина затвора для микропроцессорных ИС составит 6 нм.
Непрерывное уменьшение характерных размеров элементов и рост числа транзисторов на кристалле обуславливают ещё одну достаточно очевидную тенденцию – уменьшение стоимости изготовления одного транзистора. Так за 30 лет, начиная с 1970 года, стоимость изготовления одного транзистора упала на 5 порядков величины, и в настоящее время составляет менее 10-7 доллара.
Ещё одна чрезвычайно важная тенденция – это увеличение диаметра полупроводниковых пластин, используемых для изготовления ИС. При этом площадь растёт пропорционально увеличению квадрата диаметра и, следуя аналогичной закономерности, увеличивается количество кристаллов ИС (чипов), снимаемых с пластины. Последнее обстоятельство существенно уменьшает себестоимость изготовления одного чипа, что экономически оправдывает переход
на больший диаметр пластин, сопровождаемый сменой технологического оборудования. За сравнительно короткий период времени полупроводниковая промышленность освоила технологию изготовления ИС на пластинах диаметром 100 мм (начало выпуска пластин 1975 г.), 150 мм (начало выпуска пластин 1983 г.), 200 мм (1987 г.) и в настоящее время работает на пластинах с максимальным диаметром 300 мм (1995 г.). Согласно ITRS переход на пластины кремния диаметром 450 мм начнётся в 2012 году, и пластины данного диаметра будут использоваться вплоть до 2020 года.
Рис.2.1 — Степень интеграции ИС (количество транзисторов в одной ИС) в зависимости от года их выпуска: 1 – ранняя стадия выпуска ИС (удвоение количества транзисторов каждые 12 месяцев); 2 – микропроцессоры компании Intel (удвоение каждые 24 месяца); 3 – схемы оперативной памяти (удвоение каждые 18 месяцев)
Новая тенденция в микроэлектронике, которую необходимо отметить, касается конструирования ИС и заключается в объединении нескольких функционально различных ИС на одном кристалле, что приводит к созданию, так называемых «систем на кристалле» (system-on-chip, SoC). Другой вариант интеграции заключается в объединении нескольких различных кристаллов ИС в одном корпусе и создание, так называемых «систем в корпусе» (system-in-package, SiP). Такая интеграция позволяет с помощью одного устройства микроэлектроники решать целый комплекс задач. Например, микропроцессоры общего назначения могут соединяться с системами обработки сигналов для приложений беспроводной связи.
Прогресс в микроэлектронной промышленности происходит на фоне непрерывного усложнения технологии производства, удорожания разработки ИС, а также увеличения стоимости технологического оборудования и фабрики в целом. Так, например, если в 1979 году при производстве схем динамической памяти емкостью 64 Кбит с минимальным размером элементов 3,0 мкм проводилось 100 технологических операций и семь операций литографии, то производство 1-Гбит схем с минимальным размером элементов 0,13 мкм в 2001 году потребовало 440 технологических операций и 21 операцию литографии. За 30 лет, начиная с 1970 года, стоимость литографического оборудования выросла на 3 порядка величины. Чуть меньшими темпами происходит рост стоимости создания новой фабрики. Начиная с 1970 года, стоимость фабрики возросла на 2 порядка величины и в настоящее время составляет около 2,5 млрд. долларов. Ожидается, что в ближайшем будущем эта цифра может возрасти до 5–10 млрд. долларов. Рассмотренные экономические тенденции свидетельствуют о том, что прогресс микроэлектроники лимитируется не только темпами внедрения новых технических решений или технологий, но и в значительной мере экономикой производства.
С юбилеем, закон Мура
Привет, Geektimes. Недавно мы праздновали юбилей, причём какой! Не юбилей компании, что очень приятно, но не так важно. Не юбилей какого-либо изобретения, а юбилей закона, который вот уже 50 лет как движет развитие микроэлектроники вперёд, побуждая инженеров творить чудеса и увеличивать производительность компьютеров год за годом. Юбилей закона, которая каждая IT-компания, независимо от того, софтовая она или хардовая, старается поддержать и подтвердить ещё день, месяц, год. Юбилей закона Мура.
Кто такой Мур и какое влияние он оказал на микроэлектронику?
Гордон Эрл Мур родился в 1929 году в Сан-Франциско, вырос в небольшом городке Пескадеро, в 1950 стал бакалавром химии в Беркли, спустя четыре года успешно защитил докторскую степень в области химии и физики в Калифорнийском технологическом институте. И ничто не выделяло бы его из сотен таких же выпускников, если бы не его сосредоточенность на деле. Перед тем как основать Intel, Мур работал в данной области почти двенадцать лет: сначала Shockley Semiconductor Laboratory в Пало-Альто; Гордон Мур ушёл из “Шокли” из-за несогласия с её основателем, Уильямом Шокли, который хотел прекратить исследования кремниевых полупроводников. Не найдя компромиссов с руководством, он и ещё семь талантливых инженеров основали одну из крупнейших на тот момент компаний по работе с кремниевыми транзисторами Fairchild Semiconductors. Спустя 12 лет Fairchild Semiconductor стала одним из ведущих производителей операционных усилителей и других аналоговых интегральных микросхем, но материнская компания начала ограничивать возможности своей «дочки», после чего опытные сотрудники начали увольняться, сама Fairchild Semiconductor быстро пришла в упадок и потеряла долю на рынке, а Гордон Мур вместе с Робертом Нойсом (автором патента на интегральную схему) основал компанию Intel.
Закон Мура: предпосылки и наблюдения
Закон Мура не сразу сформировался таким, каким мы его знаем, но, как и всякий закон, он основывался на наблюдении. Первая формулировка (1965 год) была найдена случайно. Готовясь к очередному выступлению, Гордон Мур пытался вычислить, сколько будет стоить произвести один элемент на микросхеме в зависимости от того, сколько элементов суммарно будет на ней находиться. Зависимость нашлась, причём (как и во многих других отраслях) оказалось, что существует некое оптимальное среднее значение, при котором стоимость одного элемента вычислительной схемы минимальна.
Кроме этого, он заметил, что из года в год, во-первых, уменьшается стоимость одного элемента, а во-вторых, количество элементов на одном кристалле растёт. Также Мур отметил, что более продвинутые модели микросхем появлялись приблизительно спустя год после предшественников, при этом количество транзисторов на них удваивалось.
Связано это было как с бурным развитием микроэлектроники, так и с растущими потребностями индустрии. Спустя десять лет микропроцессоры стали доступнее, производились в куда больших количествах, чем ранее, и Гордон Мур внёс в свой закон небольшие изменения: число транзисторов удваивается каждые два года. Связано это было в первую очередь с экономической составляющей высокотехнологичных производств: разработка новинок стоит денег и новинки необходимо успевать окупить.
Слишком частый выпуск новых продуктов приводил бы к тому, что доля исследований и разработок в затратах на выпуск единицы продукции сильно росла, и компания не могла извлечь достаточно прибыли для дальнейшего развития. Слишком редкий выпуск новых продуктов открывал дорогу конкурентам и тем, кто решил рискнуть и выпустить свой продукт раньше других. Таким образом вся индустрия пришла к рациональному циклу развития, который работает вот уже 50 лет.
Экспоненциальная зависимость и рост вычислительных мощностей нашли своё отражение во многих смежных областях. Некоторые другие предсказания Гордона Мура тоже оправдались, но они не столь известны и популярны.
Чего достигла микроэлектроника
С начала семидесятых годов микроэлектроника сильно шагнула вперёд. Сложно представить, но производительность и энергоэффективность кое-где опередили даже смелые прогнозы, основанные на законе Гордона Мура:
Если сравнивать прогресс в микроэлектронике с прогрессом в механике и других областях прикладной науки, то сложно даже описать, насколько быстро растёт та сфера, которой занимается Intel.
Для сравнения возьмём Boeing 747. Первый полёт состоялся в 1969 году, то есть он почти ровесник нашего юбиляра. По ценам начала семидесятых самолет стоил в районе $30 млн. Если бы авиапромышленность развивалась теми же темпами, то к нынешнему году аналог 747 стоил бы не миллионы, а тысячи долларов, облетал наш с вами глобус за 20 минут, при этом тратил порядка 20 литров топлива на весь полет. При длине экватора
в 40 000 км полёт на высоте уровня моря за 20 минут потребовал бы развивать скорость порядка 2 000 километров в минуту (120 000 Км/ч или 33 333.(3) м/с) — а это примерно 1.1% скорости света в вакууме (300 млн м/с).
Отражение Закона Мура в смежных областях
Закон Мура как таковой отражает только рост вычислительной мощности чипов, но что стоит за ростом этой вычислительной мощности? Как повлияло такое развитие на другие сферы человеческой деятельности? Возьмём, к примеру, суперкомпьютеры. Учёным требуются суперсложные вычисления — мы их обеспечиваем.
Рост производительности 500 самых мощных систем получается несколько быстрее, чем экспонента закона:
Стоимость одного из самых сложных “потребительских” вычислений — расшифровки генома человека — снижалась ещё быстрее:
Даже в таком близком и простом для нас с вами понятии, как размер дистрибутива OS, Закон Мура продолжает действовать:
Отражение фундаментального (на сегодняшний день) наблюдения за развитием мира микроэлектроники можно найти практически везде, где она хоть как-нибудь задействована.
Облачные вычисления, мобильная техника, количество подключений к интернет, — эти и многие другие области IT растут по экспоненте вместе с нашими процессорами, и пока не думают останавливаться.
Прогнозы
К сожалению, законы физики сильнее условностей, которые придумали люди, и для Закона Мура есть ограничения. Его пытались похоронить много раз. Да что уж говорить: сам Гордон Мур в 1995 году думал, что к 2005 экономические аспекты производства поставят производителей в такие условия, что закон перестанет выполняться. Когда этого не случилось, он оценил рубеж экспоненциального роста производительности вычислительных систем 2015-2025 годами, но уже из-за технологических ограничений.
Инженеры не раз сталкивались с невозможностью продолжать совершенствование процессоров классическим путём. Упёрлись в тактовую частоту одного ядра — появились многоядерные системы. Ядра простаивают в ожидании новых задач? Появилась виртуальная гиперпоточность. Из имеющейся архитектуры выжали все соки? Можно уменьшить техпроцесс, а с ним тепловыделение, увеличить таковые частоты, и параллельно работать над новым поколением железа.
Если быть точным, то впервые существенно законы физики вмешались уже на техпроцессе в
200 нм: так как получить изображение меньшее, чем 1/2 длины волны вообще не представляется возможным с точки зрения законов физики. В тот раз нашлось простое и элегантное решение: нельзя сделать маски “мельче” — пусть изображение формируется в несколько этапов с использованием разных масок для каждого из них:
Мало будет двух раз? Сделаем и четыре прохода, и восемь. К сожалению, уменьшать технологический размер элементов и работать со всё более и более тонкими структурами рано или поздно начнут мешать ограничения, которые мы пока не в силах преодолеть. Но наша задача — отсрочить этот момент как можно дальше.
Intel Xeon E7 v3
В день юбилея закона Мура мы решили в очередной раз подтвердить его на практике и представили новое поколение серверных процессоров Intel Xeon E7 третьего поколения.
Если сравнивать новые процессоры Intel с популярными RISC-чипами других производителей, то цифры просто удивительные:
Новое семейство процессоров во многом превосходит модели предыдущего поколения:
Xeon’ы у наших друзей
Один из наших крупнейших партнёров, компания HP, отметила, что системы на основе архитектуры x86_64 всё плотнее проникают в сегмент бизнес-критичных платформ:
Причина такого изменения, разумеется, в деньгах. Суммарное снижение TCO (совокупной стоимости владения) ниже аналогичных RISC-платформ с *NIX на борту примерно на треть.
Применение процессоров Intel Xeon и Xeon PHI позволило другому нашему партнёру, компании РСК, создать уникальные вычислительные системы: RSC PetaStream и «РСК Торнадо»:
Энергетическая плотность RSC PetaSteram — 400+ кВт на шкаф. И ведь это тепло выделится в процессе работы – его необходимо собрать, отвести и сделать это максимально эффективно. Для сравнения, мощность известного на постсоветском пространстве грузового электровоза ВЛ85 — порядка 10 000 кВт.
Комплекс RSC PetaSteram по-настоящему уникальный и эффективный продукт, которым компания РСК может гордиться по праву. Системы RCS PetaStream и «РСК Торнадо» уже работают в российских научных и образовательных учреждениях.