Định luật Moore ở tuổi 50: xác định tốc độ thay đổi

Cuối tuần này đánh dấu 50 năm kể từ khi Gordon Moore, người đồng sáng lập Intel phát hành bài báo đưa ra khái niệm "Định luật Moore", ý tưởng rằng mật độ bóng bán dẫn sẽ tăng gấp đôi với mỗi thế hệ công nghệ mới.

Khái niệm đó đã là một động lực chính trong thế giới công nghệ của chúng tôi, khi chúng tôi chuyển từ các mạch tích hợp chứa ít hơn 50 bóng bán dẫn và điện trở cách đây 50 năm cho đến các chip ngày nay, trong đó chip lõi kép Intel "Broadwell" mới cho máy tính xách tay có 1.9 tỷ bóng bán dẫn và chip Xeon cao cấp có 4, 3 tỷ bóng bán dẫn. Chúng ta đã thấy sự tiến bộ khá tuyệt vời, và nó đã dẫn đến việc chúng ta có điện thoại di động có sức mạnh tương đương với siêu máy tính từ cách đây không lâu.

Với tiêu đề "nhồi nhét thêm các thành phần vào mạch tích hợp", bài báo gốc của Moore đã xuất hiện trên tạp chí Điện tử số ra ngày 35 tháng 4 năm 1965. (Một bản in lại trực tuyến tại đây.) Trong bài báo, Moore lưu ý rằng "sự phức tạp cho thành phần tối thiểu chi phí đã tăng với tốc độ khoảng hai mỗi năm, "có nghĩa là số lượng bóng bán dẫn trên mỗi chip đã tăng gấp đôi mỗi năm. Thậm chí còn có một biểu đồ cho thấy điều này sẽ kéo dài trong 10 năm tới.

Để tìm ra điều này, Moore nói rằng ông đã quay lại sự phát triển của các mạch tích hợp phẳng ban đầu vào năm 1959 và vẽ sơ đồ số lượng linh kiện trên một con chip trong bốn năm qua trên giấy bán nhật ký. Anh nhận thấy rằng "Aha, nó đã tăng gấp đôi mỗi năm." (Moore đã kể câu chuyện nhiều lần, kể cả trong một cuộc phỏng vấn năm 1997 với tôi cho Tạp chí PC và một cuộc phỏng vấn gần đây với Intel.)

Một tiểu sử sắp tới của Moore cho thấy anh ta thực sự đã suy nghĩ theo những dòng tương tự hai năm trước khi anh ta viết một bài báo trước đó, nhưng đó là bài báo Điện tử giới thiệu khái niệm về sự nhân đôi thường xuyên trong các thành phần.

Trong bài báo, Moore dự đoán rằng vào năm 1975, "số lượng linh kiện trên mỗi mạch tích hợp với chi phí tối thiểu (sẽ) là 65.000" tăng rất lớn, nhưng một trong số đó hóa ra rất gần với những gì các kỹ sư thực sự đạt được.

Tại thời điểm bài viết gốc, Moore đang điều hành R & D tại Fairchild S bán dẫn, nơi anh là một trong những người đồng sáng lập. Ông và Robert Noyce rời Fairchild để thành lập Intel vào năm 1968, và công ty đã được xác định khá nhiều bởi cam kết tiếp tục tăng gấp đôi mật độ bóng bán dẫn một cách thường xuyên.

Cụm từ "Định luật Moore" được đặt ra bởi giáo sư Caltech Carver Mead khoảng 10 năm sau khi bài báo xuất hiện, và nó bị mắc kẹt, mặc dù chính Moore đã chống lại thuật ngữ này trong nhiều năm.

Năm 1975, Moore đã cập nhật dự báo của mình lên gấp đôi cứ sau hai năm và trong hầu hết các năm can thiệp, chúng tôi đã thấy các nhà sản xuất chip cố gắng đạt được dự báo đó. Trong nhiều năm, Intel đã giới thiệu các nút bộ xử lý mới theo lịch trình hai năm thông thường với nhịp "tick-tock" của mình, và mặc dù các nút 14nm và 16nm gần đây đã bị chậm lại một chút, khái niệm này vẫn tiếp tục thúc đẩy ngành công nghiệp chip. Trong số các công ty đó có Intel, các xưởng đúc bán dẫn sản xuất chip cho các công ty khác (như Globalfoundries, Samsung và TSMC) và các nhà sản xuất bộ nhớ khác nhau (mặc dù các nhà sản xuất flash NAND gần đây đã chuyển từ cố gắng lấy chip phẳng dày đặc hơn sang 3D NAND khoai tây chiên).

Điều quan trọng cần lưu ý là Định luật Moore không phải là luật vật lý - thay vào đó, nó dự đoán nhiều hơn về việc ngành công nghiệp sẽ phát triển nhanh như thế nào; và một mục tiêu mà ngành công nghiệp cố gắng đáp ứng, chi hàng tỷ đô la để nghiên cứu, thiết kế và sản xuất chip mới và ngày càng phức tạp.

Định luật Moore sẽ tiếp tục trong bao lâu? Không ai thực sự biết. Giám đốc điều hành hiện tại của Intel Brian Krzanich đã nói rằng "đó là công việc của chúng tôi để giữ cho nó đi càng lâu càng tốt." Trên đường đi, các nhà sản xuất chip đã phát triển các vật liệu và cấu trúc mới (như cổng kim loại cao và silicon căng thẳng) và các cấu trúc mới như FinFET hoặc, như Intel gọi nó là công nghệ Tri-Gate. Tại thời điểm này, tất cả các sản xuất logic 14nm và 16nm đều sử dụng các công cụ này cùng với quang khắc quang học đa sắc - nói tóm lại, nó trở nên khó khăn hơn và tốn kém hơn, nhưng Định luật Moore vẫn tiếp tục.

Gần đây, Intel và các công ty như Samsung và TSMC đã bắt đầu đầu tư vào sản xuất 10nm và chúng tôi có thể sẽ bắt đầu thấy các sản phẩm 10nm đầu tiên trong năm 2017 hoặc lâu hơn. Intel đã nói rằng họ tin rằng việc sản xuất 7nm sẽ không chỉ xảy ra mà còn tiếp tục giảm chi phí cho mỗi bóng bán dẫn và hầu hết những người sử dụng chip mà tôi đã nói đều tin rằng việc sản xuất 5nm sẽ tuân theo, mặc dù không rõ là bao nhiêu các nút mới này sẽ có giá hoặc liệu nhịp hai năm vẫn có thể hoặc hiệu quả. Để tiến lên phía trước, trong vài năm tới, có lẽ chúng ta sẽ cần sử dụng các vật liệu mới như Silicon Germanium hoặc những gì được gọi là hợp chất III-V; cấu trúc mới, chẳng hạn như công nghệ cổng xung quanh hoặc dây nano; và các công cụ in thạch bản mới như các công cụ cực tím (EUV).

Như Moore đã nói trong cuộc phỏng vấn gần đây, "Năm 1965, và khi tôi cập nhật quan sát của mình vào năm 1975, tôi đã không dự đoán khi nào xu hướng này sẽ kết thúc. Đó là một điều tốt bởi vì tôi chắc chắn rằng tôi sẽ ngạc nhiên. Ngành công nghiệp đã sáng tạo một cách phi thường khi tiếp tục tăng độ phức tạp của chip. Thật khó tin - ít nhất là tôi khó tin - rằng bây giờ chúng ta nói về hàng tỷ bóng bán dẫn trên chip thay vì 10, hàng trăm hoặc hàng nghìn.

"Đó là một công nghệ đã kết thúc mở hơn nhiều so với tôi nghĩ vào năm 1965 hoặc 1975. Và vẫn chưa rõ ràng khi nào nó sẽ kết thúc."

Định luật Moore đã thúc đẩy ngành công nghệ tiến lên trong 50 năm qua, cho phép những thay đổi đáng kinh ngạc về điện tử và các công nghệ liên quan mà chúng ta đã thấy trong giai đoạn đó, từ PC đến điện thoại thông minh đến truyền thông và TV kỹ thuật số. Thật khó để dự đoán những điều mới mà nó sẽ mang lại trong tương lai.