Mūra likums pārorientējas: mikroshēmu nākotne un dizains

1965. gada pavasarī 36 gadus veca inženiera īsa piezīme noteica mūsdienu tehnoloģiju tempu. Gordona Mūra novērojums, ka tranzistoru skaits aptuveni dubultosies ik pēc 18–24 mēnešiem, kamēr izmaksas samazināsies, kļuva ne tik daudz par prognozi kā par solījumu. Gadu desmitiem šis ritms vadīja ēru: telpas lieluma centrālās sistēmas pakāpās malā, dodot vietu kabatas datoriem ar lielāku apstrādes jaudu nekā kosmosa kuģiem, kas pirmie sasniedza Mēnesi.

Tomēr solījumiem ir derīguma termiņš, saistīts ar dabas likumiem. Tranzistoru samazināšana darīja brīnumus, līdz to mērogi saskārās ar atomiem. Dennarda skalēšanās reiz garantēja labāku veiktspēju un zemāku enerģijas patēriņu, samazinoties elementiem, taču šis likums sabruka vēl ilgi pirms mikroshēmas sasniedza atomu izmērus. Ieguvumi, kas šķita neizbēgami, sāka palēnināties, pēc tam apstājās.

Kāpēc un kā šis skrējiens palēninājās līdz kruīzam? Fizika, tieša un nepielūdzama. Kad tranzistoru vārti kļūst tikai dažus nanometrus plati, burtiski tikai daži silīcija atomi, elektroni vairs neuzvedas kā glītas biljarda bumbas. Tie uzvedas kā viļņi. Tie tunelējas. Tranzistors, kas domāts būt izslēgtam, var noplūst strāvu, jo elektrons var "tunelēt" cauri tam, kas agrāk bija necaurlaidīgs šķērslis. Mazas noplūdes summējas. Miljardi noplūdošu slēdžu uz viena kristāla pārvērš gudru procesoru par kompakto sildītāju.

Siltums ieviesa vēl vienu ierobežojumu: termisko sienu. Taktu ātrumi kāpa no vienciparu gigaherciem uz agrāk neticamiem skaitļiem, bet aptuveni 4–5 GHz robežās ieguvumi izzuda. Palielinot frekvenci, jūs ne tikai skaitāt ātrāk, jūs arī 'cepjat' mikroshēmu. Tas noveda pie savdabīga un dārga fenomena, ko dēvē par tumšo silīciju, proti lielām mikroshēmas daļām, kuras jebkurā brīdī jāatstāj izslēgtas, lai izvairītos no pārkaršanas. Vairāk tranzistoru vairs nenozīmēja vairāk izmantojamas veiktspējas.

Inženieri atteicās pieņemt sakāvi. Viņi pārzīmēja tranzistorus trīs dimensijās. 2011. gadā nozare pieņēma FinFET tehnoloģiju, spuras līdzīgu konstrukciju, kas ļauj vārtam kontrolēt kanālu no vairākām pusēm un samazināt noplūdes. FinFET pagarināja ceļa karti vēl par desmitgadi, ļaujot ieviest 7 nm un 5 nm ražošanas mezglus. Bet, kad mezgli pietuvojās 3 nm un zemāk, pat FinFET zaudēja efektivitāti. Atbilde bija ciešāka apņemšanās: GAAFET, kur vārti pilnīgi apņem nanosloksnes vai nanoslāņus, aizspiežot visus izceļošanas ceļus. Šādu atommēroga skulptūru izveide ir viens no inženierijas lielajiem sasniegumiem.

Tomēr fizika ir tikai puse stāsta. Otru nodaļu uzrakstīja ekonomika. Fotolitogrāfija uz griešanās malas tagad ir atkarīga no ekstremāli ultravioletās (EUV) iekārtām, masīvām mašīnām, kuras bez milzīgas pieredzes praktiski nav iespējams uzbūvēt. Nīderlandes uzņēmums ASML ir vienīgais EUV aparatūras piegādātājs, kas var drukāt 3 nm klases elementus. Katra iekārta plešas kā autobuss, satur vairāk nekā simts tūkstošus detaļu un maksā apmēram trīs simtus miljonu dolāru. Mūsdienu vadošā ražotne? Rēķinieties ar desmitiem miljardu izmaksām. Šie skaitļi ir pārveidojuši nozari: ainava, kur reiz mitinājās vairāki desmiti silīcija ražotāju, ir koncentrējusies dažos milžos.

Tātad, kas notiek, ja vairs nav iespējams bezgalīgi samazināt tranzistoru izmērus? Jūs maināt noteikumus. Nozare pāriet no monolītiskām, vienota dizaina CPU uz heterogēnām sistēmām un dizainiem, kas balstīti uz chiplet modulēm. Tā vietā, lai spiestu katru funkciju vienā kristālā, kas ražots uz tās pašas tehnoloģijas mezgla, dizaineri saliek kopā mazākas plāksnītes, chipletus, kurus var ražot dažādos procesos un pēc tam integrēt ar modernu iepakošanu. Tas ir pragmatiski. Tas ir lētāk. Tas ir elastīgi.

Speciālie paātrinātāji arī ir kļuvuši nozīmīgi. GPU, neironu apstrādes bloki un jomas specifiski čipi, piemēram, Google TPU vai Apple M sērijas silīcijs, rāda, ka tīra tranzistoru blīvuma palielināšana nav vienīgais ceļš uz veiktspēju. Pārvietojiet matemātiku uz aparatūru, kas veidota tieši šim uzdevumam, un efektivitāte strauji pieaug. Fotonika, izmantojot gaismu nevis elektronus dažiem komunikāciju un aprēķinu uzdevumiem, arī iegūst tempu, sola zemāku enerģijas patēriņu datu pārvietošanai. Un tālākajā iespējā kvantu datori piedāvā radikāli atšķirīgu aprēķinu modeli, nevis vienkāršu esošo sistēmu miniaturizāciju.

Mūra likums nav miris; to ir novirzījuši uz gudrākām arhitektūrām, jaunām materiālu tehnoloģijām un sistēmiska līmeņa domāšanu.

Pusvadītāju stāsts ir pārgājis no viena rādītāja, tranzistoru blīvuma, uz plašāku kompromisu portfeli: izmaksas par funkciju, enerģija par operāciju un spēja salikt heterogēnus gabalus vienotās sistēmās. Nākotne būs mazāk par bezsirdīgu miniaturizāciju un vairāk par gudru kompozīciju: chipletiem un 3D slāņošanu, fotoniskiem savienojumiem, speciālajiem paātrinātājiem un programmatūru, kas efektīvi koordinē dažādus komponentus.

Inženieri nepadodas kvantu ierobežojumiem. Viņi pārplāno kaujas lauku. Kad viens fizikas vārts aizveras, viņi izlauž sienu, lai izveidotu logu. Nākamā desmitgade izskatīsies citāda nekā iepriekšējā, taču tā nebūs mazāk radoša, un, iespējams, būs pat interesantāka.