Định luật Moore ở một ngã tư mới

Gần đây đã có một số câu chuyện về việc Định luật Moore sắp kết thúc. Điều đó không đặc biệt đáng ngạc nhiên - mọi người đã dự đoán sự sụp đổ của nó trong nhiều thập kỷ theo nghĩa đen và tôi đã giải quyết các vấn đề trước đây - nhưng cuộc thảo luận đã diễn ra trong cuộc sống mới. Một câu chuyện trên tạp chí Nature của M. Mitchell Waldrop xác nhận điều mà hầu hết trong ngành nghi ngờ - rằng thế hệ tiếp theo của Lộ trình công nghệ bán dẫn quốc tế (ITRS) sẽ không tập trung vào việc làm cho các bóng bán dẫn nhỏ hơn, mà là phát triển các tiến bộ chip cho các ứng dụng cụ thể .

Dĩ nhiên, Định luật Moore dựa trên quan sát của Gordon Moore (người sau này sẽ tiếp tục đồng sáng lập Intel), trong ấn bản Điện tử tháng 4 năm 1965, số lượng bóng bán dẫn trong bộ xử lý đã tăng gấp đôi mỗi năm. (Một bản sao đang trực tuyến ở đây.) Đến năm 1975, ông đã được chứng minh là đúng, nhưng đã thay đổi ước tính về con chip tăng gấp đôi sau mỗi hai năm, một tốc độ mà ngành công nghiệp chủ yếu theo đuổi cho đến gần đây.

Năm 1991, ngành công nghiệp bán dẫn Hoa Kỳ đã bắt đầu những gì sẽ trở thành ITRS với sự đóng góp của các nhóm ngành từ Châu Âu, Nhật Bản, Đài Loan và Hàn Quốc. Trong những năm qua, đã có rất nhiều thay đổi đối với lộ trình này. Cho đến đầu những năm 2000, không chỉ số lượng bóng bán dẫn trên chip tăng gấp đôi sau mỗi thế hệ, tốc độ xung nhịp cũng tăng lên, điều này cũng giúp tăng hiệu suất rõ rệt. Chips tuân theo cái được gọi là tỉ lệ Dennard, dựa trên một bài báo năm 1974 nói rằng khi các bóng bán dẫn được chia tỷ lệ, hiệu suất tăng theo cùng một yếu tố có cùng công suất. Nhưng khi các con chip đạt dưới 90nm hoặc hơn, nó đã ngừng hoạt động và sau khi các con chip đạt 3GHz hoặc 4GHz, chúng chỉ đơn giản là sử dụng quá nhiều năng lượng và quá nóng. Thay vì sử dụng các lõi nhanh hơn, ngành công nghiệp chuyển sang sử dụng nhiều lõi hơn, hoạt động trên một số ứng dụng nhưng không phải trên các ứng dụng khác. Trong khi đó, chip di động trở nên phổ biến hơn, mang theo yêu cầu sử dụng năng lượng thấp hơn.

Một thay đổi lớn khác đi kèm với vật liệu. Trong phần lớn thời gian này, các con chip chủ yếu là MOSFET hoặc các bóng bán dẫn hiệu ứng trường oxit kim loại-oxit-silic, có nghĩa là các vật liệu cơ bản khá đơn giản. Trong thập kỷ qua, chúng ta đã chứng kiến ​​sự ra đời của silicon, cổng kim loại cao cấp và công nghệ FinFET - tất cả các phương pháp để tăng mật độ và hiệu suất vượt xa những gì vật liệu và thiết kế truyền thống có thể đạt được. Hầu hết các nhà quan sát nghĩ rằng khi chúng ta sản xuất 7nm trở xuống, chúng ta sẽ cần các vật liệu thay thế mới hơn như silicon Germanium (SiGE) và indium gallium arsenide (InGaAs) và cuối cùng chúng ta có thể chuyển sang cấu trúc bóng bán dẫn khác như cổng tất cả bóng bán dẫn -around được gọi là dây nano.

Gần đây, các công cụ in thạch bản - những công cụ chiếu sáng các vật liệu kích hoạt vật liệu trên wafer silicon để vẽ các mẫu thiết kế chip - cũng tương đối tĩnh, với kỹ thuật in khắc chìm 193nm đã trở thành tiêu chuẩn trong nhiều năm. Nếu không có sự thay thế của nó, được gọi là quang khắc cực tím (EUV), các nhà sản xuất chip buộc phải sử dụng nhiều công cụ tạo mẫu, làm tăng chi phí. ASML và các đối tác đã làm việc trên EUV một thời gian và dường như nó nhắm mục tiêu sản xuất 7nm.

Sự kết hợp của sự kết thúc của quy mô Dennard, vật liệu mới và đa khuôn đã làm tăng chi phí cho việc tung ra mỗi thế hệ công nghệ mới. Và ngày càng khó hơn để làm điều đó, với Intel gần đây cho biết kế hoạch 10nm của họ là hai năm rưỡi sau khi giới thiệu 14nm, có nghĩa là điều này sẽ xảy ra vào năm 2017. Samsung và TSMC đều nói về việc chuẩn bị chip 10nm để sản xuất hàng loạt 2017, và có khả năng họ thậm chí có thể đánh bại Intel tới nút này (mặc dù, tất nhiên, có câu hỏi về cách đặt tên nút và liệu các quy trình của họ có dày đặc như của Intel không.)

Những thay đổi trong lộ trình ITRS không phủ nhận rằng việc tiếp tục nhân rộng sẽ xảy ra trong một thời gian, mặc dù không còn trong nhịp hai năm mà chúng ta đã quen và với giới hạn vật lý thực sự sắp tới. Nhưng phiên bản mới - được gọi là Lộ trình quốc tế cho các thiết bị và hệ thống - rõ ràng thay vào đó nhấn mạnh các loại công nghệ khác nhau cho các ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như cảm biến, điện thoại thông minh và máy chủ; và kết hợp các loại bóng bán dẫn khác nhau cho những thứ khác nhau, chẳng hạn như bộ nhớ 3D, quản lý năng lượng hoặc tín hiệu tương tự.

Vậy định luật Moore có thực sự chết lần này không? Tôi nghi ngờ điều đó. Intel tiếp tục nói "Luật Moore vẫn còn sống và tốt" và họ và những người khác đưa ra lý do chính đáng tại sao chip sẽ tiếp tục dày hơn trong thập kỷ tới hoặc lâu hơn, ngay cả khi chi phí tiếp tục tăng. Nhưng không còn nghi ngờ gì nữa, chúng ta sẽ thấy nhiều thay đổi trong thiết kế chip, khi chúng ta di chuyển ngày càng xa khỏi khái niệm về một thiết kế duy nhất mở rộng từ các thiết bị nhỏ đến tận trung tâm dữ liệu. Và điều đó có nghĩa là các nhà thiết kế chip sẽ phải đối mặt với một số quyết định rủi ro, và khách hàng sẽ cần phải cẩn thận hơn nữa về các lựa chọn mà họ đưa ra.