Moorov zakon - je res mrtev?



'Moore's Law' is a term coined in 1965 by Gordon Moore, who presented a paper which predicts that semiconductor scaling will allow integrated circuits to feature twice as many transistors present per same area as opposed to a chip manufactured two years ago. That means we could get same performance at half the power than the previous chip, or double the performance at same power/price in only two years time. Today we'll investigate if Moore's Law stayed true to its cause over the years and how much longer can it keep going.

Pravilo Mooreovega zakona je daljše od petih desetletij delovalo, tako da je zgornji graf videti skoraj linearno, če bi črtali črto. To, kar črta loči od njene linearnosti, so občasne kolcanje v proizvodnji, s katerimi se je industrija morala spoprijeti in jih je na koncu premagala. Skozi zgodovino je bil Mooreov zakon že večkrat razglašen in napovedan, da bo umrl, saj se je industrija približala velikosti mikron. Od 1 µm je veliko ljudi postalo skeptično do sposobnosti preživetja zakona in do tega, kako dobro bi se držalo, vendar je čas te ljudi dokazal narobe in zdaj že uporabljamo izdelke, ki temeljijo na 7 nm vozlišču.

Izziv
Zakon resnično želi ustaviti tri stvari: litografija, nečistoče in ekonomija obsega.

Prva težava, ki jo je treba obravnavati, so nečistoče, ki jih najdemo na ravni atoma. Livarne za proizvodnjo silicija talijo kremenčev pesek in tvorijo veliko kristalno strukturo, ki je razrezana na rezine. Ko se pesek stopi, so nečistoče neizogibne. To je posledica dejstva, da segrevanje silicija zlahka reagira s halogeni (fluor, klor, brom in jod) in tvori halogene. Ti halidi se odstranijo z uporabo več kemikalij, ki jih raztopijo in odstranijo, tako da lahko za izdelavo rezin odvzamemo velik kristal. „Kakšen problem povzroča odstranitev teh nečistoč?“, Boste morda vprašali. Manjše velikosti posameznega tranzistorja so boljše, da bo tudi majhen atom nečistoč, ki je ostal od predhodnega čiščenja, tranzistor neuporaben.

Drugi problem, ki ga je treba obravnavati, je litografija. Če želite narediti tranzistorje, jih morate 'natisniti' na silikonsko rezino. To se naredi s sijočo svetlobo skozi kalup, imenovan maska, ki prodira silicij in vzorec vrezani v rezino. Seveda, ko zmanjšujete velikost svojega tranzistorja, morate narediti manjšo masko. Manjša kot je maska, težje jo je narediti (tukaj začnete opažati določen vzorec, ko se velikost zmanjšuje). Da bi rešili to težavo, je industrija polprevodnikov izdelala tehniko z več vzorci, ki traja nekaj strupov v postopku jedkanja, da bi povečala učinkovitost uporabe maske. Vendar pogosto ta pristop ni dovolj in UV svetloba ima težave pri tiskanju na silicij. Tako se je rodila litografija Extreme UV ali EUV. Uporablja močnejšo svetlobo
Viri s krajšo valovno dolžino, da boste bolje oblikovali obliko in s tem zmanjšali napake, na katere lahko tiskanje naleti. Kar je v resnici problem tukaj, ni svetloba, ki prehaja skozi masko, ampak sama maska. Maska je kritični oblikovalski element, saj vaš dizajn prenaša v silikon. Če ne morete narediti natančnih in majhnih mask, ne morete dobiti delujočega čipa. Tako je izdelava maske še en kritični korak, ki Mooreov zakon otežuje. Tretji in zadnji problem je ekonomija obsega. V tem primeru prihaja manj znan Mooreov drugi zakon, ki napoveduje, da se stroški za postavitev novega proizvodnega obrata na vsaki dve leti povišajo tudi dvakrat. Danes, da bi zgradili novo stran, podjetja porabijo več milijard dolarjev. Intel je v svojo številko 42 v Arizoni vložil več kot 12 milijard dolarjev, ki naj bi vsak dan izdelovali 7 nm čipov. Poleg ogromnega kapitala, potrebnega za odprtje nove plošče, morajo podjetja razviti svoj lastni postopek polprevodniških vozlišč. Da bi stvari postavili v perspektivo, špekulacije v industriji kažejo, da od 5 nm in manj potrebujemo več kot pet milijard dolarjev samo za raziskave in razvoj. To je razlog, da so za proizvodnjo 7 nm in manj ostale samo tri livarne - Samsung, Intel in TSMC.

Pot naprej

Za vsa podjetja, ki imajo kapital za vlaganje v nove proizvodne zmogljivosti in opremo, je na izbiro kar nekaj možnosti, da bi se nadaljevalo delovanje zakona. Dodajanje novih materialov, izdelava novih vrst tranzistorjev in prestop v 3. dimenzijo.

Zavestno vnašanje majhnih količin drugih materialov v silicij („doping“) je lahko dvorezen meč. Nov material lahko poveča lastnosti tranzistorja, vendar se izkaže za izjemno težko. To je bila Intelova izkušnja s kobaltom. Dodali so ga v 10 nm vozlišče, da zmanjša odpornost v izjemno majhnih žicah, ki povezujejo tranzistorje. Za te žice se ponavadi uporablja baker, ker pa je pakiran na manjše žice, postane bolj odporen, zato je kobalt dodan, ker je enake velikosti, Intel pa je ugotovil, da ima polovico upora kot podobne žice iz bakra. Ta dodatek se je izkazal za uporabnega, vendar precej težaven za izdelavo in je prinesel slabo, kar je povzročilo zamude pri novem postopku. Kljub zamudam je njegov dodatek rešil velik problem, s katerim so se soočali inženirji, kar je pokazalo potencial vključevanja novih materialov za povečanje učinkovitosti. Če si pomagate, se je aluminij uporabljal nekaj časa, preden je industrija prešla na baker za boljše karakteristike delovanja. Tudi prehod ni potekal gladko, vendar se je po nekaj časa izkazal precej dobro.

Možnosti so tudi nove vrste tranzistorjev. Nekaj ​​časa je industrija uporabljala standardni, planarni CMOS FET kot osnovni tranzistor, ki je deloval v redu, dokler nismo mogli nadzorovati toka, ki poteka skozi tranzistor, in naredil naključna stikala, ki so pogosto povzročila napake. Pred kratkim je nov dizajn, imenovan FinFET, nadomestil ravninski FET, kjer je bila plavuta dvignjena in vrata so začela obdajati
Vir za boljši nadzor, če bo tranzistor preklopil ali ne. Na spodnji sliki lahko vidite razliko, ki se je pojavila z uvedbo FinFET-a, ki proizvajalcem omogoča izdelavo manjših tranzistorjev in kar je najpomembneje, da jih nadzorujejo. Najnovejši pristop k izdelavi tranzistorja je 'Gate All Around FET' ali skratka GAAFET. Njegova zasnova ovija celoto
Vir z zapornicami, da preprečite morebitna stikala brez naklepa. Načrtovan za uporabo v 5 nm in manj, je GAAFET tehnologija, ki jo bomo videli kmalu. Omogočil bo še manjše zasnove tranzistorjev z lažjo manipulacijo vklopa / izklopa.
In ne nazadnje je 3. dimenzija. Ko stopimo pod 1 nm in začnemo meriti velikost vozlišč na pikometrih, bo veliko sil preprečilo, da bi se tranzistorji zmanjšali. Lahko greš majhen, vendar ne moreš kršiti fizikalnih pravil. Kvantno tuneliranje je bolj prisotno na manjših razdaljah, tako da naenkrat ne moremo manjši v zasnovi, ne da bi tranzistor naredil stikalo naključno. Ko torej udarimo na omejitve, je še vedno eno mesto, kjer lahko postavimo tranzistorje in to je navpična os. Če tranzistorje zložimo drug na drugega, lahko število tranzistorjev na kvadratni milimeter samodejno podvojimo, potrojimo ali celo podvojimo, zato je potencial tega pristopa precej velik. To tehnologijo že uporabljamo na pomnilniku HBM, kmalu pa se bo prenesel tudi na logiko. TSMC izdeluje tudi Wafer-on-Wafer pakete, ki omogočajo zlaganje rezin drug na drugega, tako da ni nemogoče, da bi 3D in pakirali večjo zmogljivost na istem območju, vendar lahko toplota, še posebej gostota toplote, postane težava.

Vse skupaj povzamem

Moje osebno mnenje je, da se Mooreov zakon ne bo kmalu končal. Ne letos, ne naslednjega, niti leta 2025, ko Gordon Moore sam napoveduje, da se bo zakon končal. Za proizvajalce silicija se ne bo lahka borba, vendar se že delajo nove tehnologije in nekatere od njih bodo že kmalu uvedene, na primer GAAFET, kobalt in Wafer-on-Wafer, kar bo omogočilo dodatne izboljšave delovanja . Embalaža čipov postane zelo dobra z videzom čipsov, zato je oblikovanje sistema videti bolj kot zgradba LEGO, ne pa dizajn čipov, če bi lahko med seboj spakirali veliko različnih čipov, ne da bi med njimi potrebovali PCB.

Moorejev zakon, ki ga je težko slediti, je, da se morajo proizvajalci ustvarjati, če želijo tekmovati in zaslužiti več, kar daje temu izzivu določeno lepoto, ki je vidna samo, če pogledamo širšo sliko in zavedamo se, da je najboljše in najbolj zanimive rešitve so sledenje na videz dolgočasnih let lahkega doseganja zmogljivosti.
Source: Wikipedia, Samsung (Images)