Zmierzch prawa Moore’a

Dzisiejsze procesory Intela o architekturze Skylake zawierają 1,750 mld tranzystorów i wytwarzane są w technologii 10nm. Wzrost liczby tranzystorów, który opisany został prawem Moore’a, obowiązywał przez blisko 50 lat. Zgodnie z tym prawem, liczba tranzystorów w układzie scalonym powinna podwajać się co 18 miesięcy. Po korekcie obecnie przyjmuje się, że jest to co 24 miesiące. Jednakże, ze względu na ograniczenia fizyczne układów, pewnego dnia prawo Moore'a może przestać obowiązywać. W ostatnich czasach, na światowym rynku półprzewodników daje się zauważyć nowy trend nazwany “More-than-Moore”, czyli więcej niż prawo Moore’a. Dodane wartości do urządzeń łączą w sobie funkcjonalności, które niekoniecznie określane są przez Prawo Moore’a. Do tej pory najważniejszym celem było możliwie jak największe upakowanie tranzystorów w układzie scalonym, które gwarantowało wzrost mocy i wydajności urządzeń. Było to możliwe głownie dlatego, że tranzystory stawały się coraz wydajniejsze wraz z redukcją ich wymiarów. Mniejsze wymiary, to mniejsze zapotrzebowanie na energię, co przekładało się na wzrost liczby tranzystorów. Firmy zaczęły coraz bardziej inwestować w prace nad coraz wydajniejszymi układami, chcąc w ten sposób zdominować rynek półprzewodników. Niestety od 2000 roku pomimo zwiększonych nakładów na prace rozwojowe i rosnącej liczby tranzystorów w procesorach, wydajność układów powoli osiąga kres swoich możliwości. W związku z przewidywanymi ograniczeniami, konieczny jest rozwój nowych technologii wraz z technologiami opartymi na Prawie Moore’a, które zapewnią dalszy rozwój układów półprzewodnikowych. Komputer kwantowy zbawieniem dla prawa Moore'a? Istnieją rozwiązania, które są dosyć radykalne i prowadzą do ponownego zdefiniowania architektury komputera. Jednym z pomysłów jest stworzenie komputera kwantowego, który wykorzystuje do obliczeń specjalne algorytmy kwantowe, co pozwala na otrzymanie wyników w bardziej efektywny sposób niż za pomocą tradycyjnych komputerów. Innym, jest emulacja ludzkiego mózgu, który nie potrzebuje dużo energii do wykonywania skomplikowanych obliczeń. W ten sposób powstałby cyber-mózg o nieograniczonych możliwościach. Jeszcze innym pomysłem jest rozproszenie obliczeń na inne jednostki, które połączone razem będą wydajniejsze niż pojedynczy komputer. Szczególnie jest to ciekawa idea w stale rosnącym Internecie Przedmiotów. Producenci tranzystorów nie powiedzieli jeszcze ostatniego słowa Jest jeszcze szansa na uzupełnienie kilku iteracji prawa Moore’a. Mają się do tego przyczynić nowe rodzaje tranzystorów. W idealnym tranzystorze po przyłożeniu napięcia płynie prąd a po jego zdjęciu prąd nie przepływa, dodatkowo przełączanie następuje z jednego stanu w drugi w sposób natychmiastowy. Niestety w praktyce tak nie jest i nawet kiedy wydaje się, że urządzenie jest wyłączone przez układ płynie resztkowy prąd, który generuje dodatkowe ciepło i stratę wydajności. Niepożądane ciepło z tych i innych źródeł powoduje poważne problemy. Wiele nowoczesnych układów musi albo pracować poniżej swojej maksymalnej prędkości lub nawet okresowo wyłączać pewne bloki aby uniknąć przegrzania. To wszystko w znacznym stopniu ogranicza ich skuteczność. Producenci układów szukają rozwiązań, które pozwolą uniknąć tych problemów. W 2004 roku firma Intel wprowadziła tzw. rozciągnięty krzem. Metoda polega na rozciągnięciu w sieci atomów krzemu poprzez wprowadzenie atomów germanu. W ten sposób poprawiono przewodność, zwiększono przepływ ładunków i zmniejszono ilość generowanego ciepła. W innej metodzie, pierwszy raz zastosowanej w 2004 roku przez firmę IBM, wykorzystano tunelowanie kwantowe tworząc tunelowy tranzystor polowy TFET. Wszystkie te prace prowadzą do radykalnej zmiany w obrębie budowy tranzystora. Jedną z metod jest wyjście z płaskiej budowy tranzystorów do układu 3D. Taką strukturę reprezentuje tranzystor stworzony przez Intela – Tri-Gate, określany również jako Tri-gate FinFET (Fin Field-Effect Transistor), którego kanał jest otoczony przez bramkę z trzech stron. Zapewnia on o 37% wyższą wydajność i mniejsze zapotrzebowanie na energię procesora niż dotychczas stosowane rozwiązania. Naturalną konsekwencją jest struktura, w której kanał jest otoczony przez bramkę z czterech stron (gate-all-around). Zatem blisko już do sytuacji idealnej, w której elektroda bramki będzie całkowicie otaczała kanał tranzystora. W ten sposób będzie przebiegała ewolucja tranzystora krzemowego, z płaskiego układu, do układu 3D otoczonego całkowicie bramką. Czas na innowacyjne materiały Niestety to nie wystarczy. Producenci muszą poszukać materiałów, które zastąpią krzem i poprawią właściwości elektryczne, które już teraz zostały zepchnięte do swoich granic. W ubiegłym roku grupa naukowców z firm Samsung, Global Foundries, IBM i z Uniwersytetu Stanowego w Nowym Jorku zaprezentowała układ wykonany w technologii 7nm. Niestety będzie on dostępny dla konsumentów najwcześniej w 2018 roku. Użyto w nim tych samych tranzystorów FinFET z jedną różnicą, część z nich posiadała kanały zbudowane ze związku krzemu i germanu (SiGe). W przyszłości do osiągnięcia wyższych wydajności prawdopodobnie konieczne stanie się stosowanie zarówno SiGe jak i innych związków, które transportują elektrony nawet lepiej niż krzem. Znane materiały o najbardziej korzystnych właściwościach elektrycznych, zawierają związki takich pierwiastków jak Ind i Arsenek Galu. Problemem jest niełatwe domieszkowanie krzemu tymi pierwiastkami. Najlepszą alternatywą może być grafen, który posiada strukturę zbudowaną z atomów węgla. Jest doskonałym przewodnikiem dziur i elektronów. Problemem jest niestety zatrzymanie ładunków. Naukowcy próbowali rozwiązać ten problem poprzez domieszkowanie, wprowadzanie naprężeń w strukturę czy stosowanie pól elektrycznych. Dopiero w 2013 roku zauważono nowe zjawisko, które nie zostało wykorzystane w dotychczasowych tranzystorach. W pewnych szczególnych warunkach możliwe jest uzyskanie ujemnej rezystancji, co w konsekwencji może doprowadzić do powstania grafenowych tranzystorów. Przewiduje się, że zmierzch prawa Moore’a nastąpi w momencie osiągnięcia technologii na poziomie 3nm. I zgodnie z informacjami od TSMC może to nastąpić już w 2022 roku. Jeżeli jednak w jakiś sposób uda nam się kontynuować miniaturyzację zgodną z prawem Moore’a, to możliwe jest jeszcze przesunięcie granicy do poziomu atomu. Będzie to kolejny krok w rozwoju nanotechnologii. Dopóki jednak firmy chcą ponosić koszty prac badawczych nad nowymi technologiami wytwarzania tranzystorów, prawo Moore’a ciągle jest aktualne. Źródło: The Economist