Moore's Law - Is it Really Dead?



'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. I en periode lenger enn fem tiår har regelen i Moore's Law virket, slik at grafen ovenfor ser nesten lineær ut hvis en linje skulle tegnes. Det som trekker linjen fra lineariteten er sporadiske hikke i industrien som industrien måtte takle og overvinne til slutt. Gjennom historien har Moores lov blitt erklært og spådd å være død mange ganger, da industrien nærmet seg sub-mikron størrelser. Fra 1 um ble mange mennesker skeptiske til lovens levedyktighet og hvor godt det ville holde opp, men tiden har vist disse menneskene feil, og vi bruker nå allerede produkter som er basert på 7 nm node.

Utfordringen
Det som virkelig prøver å stoppe loven er tre ting: litografi, urenheter og stordriftsfordeler.

Det første problemet å adressere er urenheter som finnes på atomnivå. Støperier av silisiumproduksjon smelter kvartssand for å danne en stor krystallstruktur som skjæres opp i skiver. Når sand smeltes, er urenheter uunngåelige. Dette skyldes det faktum at oppvarming av silisium gjør at det lett reagerer med halogenene (fluor, klor, brom og jod) for å danne halogenider. Disse halogenidene fjernes ved å bruke flere kjemikalier som løses opp og fjerner dem, slik at en stor krystall kan trekkes ut for fremstilling av skiver. 'Hva er problemet forårsaket av fjerning av disse urenheter?', Kan du spørre. Jo mindre størrelsen på en individuell transistor er, er sjansen større for at til og med et lite atom av urenheter, til overs fra tidligere rengjøring, vil være til stede og gjøre en transistor ubrukelig.

Det andre problemet å ta tak i er litografi. For å lage transistorene må du 'trykke' dem på en silisiumskive. Dette gjøres ved å skinne lys gjennom en form som kalles maske, som trenger inn i silisiumet og etser mønsteret inn i en skive. Når du reduserer størrelsen på transistoren din, må du naturligvis gjøre masken mindre. Jo mindre maske, jo vanskeligere er det å lage den (du begynner å merke et visst mønster her med størrelsen avtar). Så for å løse dette problemet har halvlederindustrien laget en multimønster-teknikk som tar flere vendinger i etseprosessen for å øke effektiviteten til maskepåføringen. Men ofte er denne tilnærmingen ikke nok, og UV-lys har problemer med å skrive ut design til silisium. Slik ble ekstrem UV- eller EUV-litografi født. Den bruker et sterkere lys
Kilde med kortere bølgelengde for å etse designen bedre og dermed redusere feilene utskriften kan komme til. Det problemet egentlig er her, er ikke lyset som går gjennom masken, det er selve masken. Masken er det kritiske designelementet når den overfører designet ditt til silisium. Hvis du ikke kan lage presise og små masker, kan du ikke få en fungerende brikke. Dermed er maskeringen et annet kritisk skritt som gjør Moores lov hard. Det tredje og siste problemet er stordriftsfordeler. Det er her den mindre kjente Moore sin andre lov kommer inn, som spår at kostnadene for å etablere et nytt produksjonsanlegg også blir to ganger dyrere hvert annet år. I dag for å bygge en ny fab, bruker selskaper milliarder av dollar. Intel har investert mer enn 12 milliarder dollar i fab-nummeret 42 i Arizona, antatt å produsere 7 nm brikker en dag. I tillegg til den enorme kapitalen som trengs for å bare åpne en ny fab, trenger selskaper å utvikle sin egen halvlederprosess. For å sette ting i perspektiv er bransjespekulasjoner at fra 5 nm og under er det behov for over fem milliarder dollar for FoU alene. Dette er grunnen til at det bare er tre støperier som produserer 7 nm og under - Samsung, Intel og TSMC.

Veien forover

For alle selskapene som har kapital til å investere i nye produksjonsanlegg og utstyr, er det ganske mange alternativer å velge mellom for å holde loven i gang. Legge til nye materialer, lage nye typer transistorer og gå inn i den tredje dimensjonen.

Å vite å introdusere små mengder andre materialer med silisium ('doping') kan være et tosidig sverd. Et nytt materiale kan øke egenskapene til transistoren, men viser seg utrolig vanskelig å produsere. Det var hva Intels erfaring med kobolt var. De la den til 10 nm-noden for å redusere motstanden i ekstremt små ledninger som forbinder transistorene. Kobber brukes vanligvis til disse ledningene, men når det pakkes i mindre ledninger, har det en tendens til å bli mer motstandsdyktig, så kobolt blir lagt til i samme størrelse, Intel fant ut at den har halvparten av motstanden enn lignende ledninger laget av kobber. Dette tillegget viste seg å være nyttig, men ganske vanskelig å fremstille, og det ga dårlig, noe som førte til forsinkelser i den nye prosessen. Til tross for forsinkelser løste tilleggsutviklingen et stort problem som ingeniører møtte, og viste potensialet for å integrere nye materialer for å øke ytelsen. Hvis du remenber, ble aluminium brukt i noen tid før industrien gikk over til kobber for bedre ytelsesegenskaper. Den overgangen gikk heller ikke uten problemer, men den viste seg ganske bra etter litt tid.

Nye typer transistorer er også et alternativ. En stund brukte industrien standard, plan CMOS FET som en basetransistor, som fungerte fint til vi ikke kunne kontrollere strøm som passerer gjennom transistoren, og laget tilfeldige brytere som ofte resulterte i feil. Nylig erstattet ny design kalt FinFET plan FET, der finnen ble hevet og porten startet rundt
Kilde for bedre kontroll om transistoren vil bytte eller ikke. På bildet nedenfor kan du se forskjellen som dukket opp med introduksjon av FinFET, slik at produsenter kan lage mindre transistorer og viktigst kontrollere dem. Den siste tilnærmingen til å lage transistor er 'Gate All Around FET' eller GAAFET kort fortalt. Designet omslutter helheten
Kilde med en port, for å forhindre eventuelle brytere uten forsett. Planlagt for bruk i 5 nm og nedenfor, GAAFET er en teknologi vi snart vil se. Det vil tillate enda mindre transistordesign med enklere manipulering av å slå av / på.
Og sist, men ikke minst, er den tredje dimensjonen. Når vi går under 1 nm og begynner å måle nodestørrelse i picometre, vil mange krefter forhindre at transistorer blir mindre. Du kan gå liten, men du kan ikke bryte fysikkens regler. Kvantetunneling er mer til stede på mindre avstander, så på et tidspunkt kan vi ikke gå mindre i design uten å få transistoren til å bytte til tilfeldige tider. Så når vi treffer grensene, er det fremdeles ett sted der transistorer kan settes, og det er den vertikale aksen. Hvis vi stabler transistorer oppå hverandre, kan vi automatisk doble, tredoble eller tildoblere antall transistorer per kvadrat millimeter, noe som gjør potensialet til denne tilnærmingen ganske stort. Vi bruker allerede denne teknologien på HBM-minne, og den er i ferd med å overføres til logikk også. TSMC lager også Wafer-on-Wafer-pakker som tillater stabling av skiver oppå hverandre, så det er ikke umulig å gå 3D og pakke mer ytelse i samme område, men varme, spesielt varmetetthet kan bli et problem.

Oppsummerer det hele

Min personlige mening er at Moores lov ikke vil ta slutt snart. Ikke i år, ikke den som følger, og heller ikke i 2025, da Gordon Moore selv spår at loven skal ta slutt. Det kommer ikke til å bli en lett kamp for silisiumprodusenter, men det arbeides allerede med nye teknologier, og noen av dem vil bli distribuert ganske snart, som GAAFET, kobolt og Wafer-on-Wafer som gir mulighet for ytterligere ytelsesforbedringer . Chipemballasje blir veldig bra med utseendet til flisetter, noe som gjør at systemdesign virker mer som et LEGO-bygg, snarere enn brikkedesign, hvis du kan pakke mange forskjellige brikker ved siden av hverandre, uten behov for en PCB mellom dem.

Saken med at Moore lov blir vanskelig å følge er at produsentene må bli kreative hvis de vil konkurrere og tjene mer penger, og det gir denne utfordringen en viss skjønnhet som bare er synlig hvis vi ser på det større bildet og innser at det beste og mest interessante løsninger er å følge de tilsynelatende kjedelige årene med lett ytelsesgevinst.
Source: Wikipedia, Samsung (Images)