Moores lov ved en ny korsvei

Det har vært en rekke historier i det siste om hvordan Moore's Law kommer til å ende. Det er ikke spesielt overraskende - folk har spådd at det gikk under i flere tiår, og jeg har tatt opp problemene før - men diskusjonen har tatt nytt liv. En historie i tidsskriftet Nature av M. Mitchell Waldrop bekrefter det de fleste i bransjen mistenkte - at neste generasjon av International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) ikke vil fokusere på å gjøre transistorer mindre, men snarere på å utvikle chip-fremskritt for spesifikke applikasjoner.

Moore's Law er selvfølgelig basert på observasjonen gjort av Gordon Moore (som senere skulle gå videre til Intel), i april 1965-utgaven av Electronics , at antallet transistorer i en prosessor doblet seg hvert år. (En kopi er online her.) I 1975 hadde han vist seg å være riktig, men endret estimatet for chip-dobling til hvert annet år, et tempo industrien stort sett fulgte inntil nylig.

I 1991 startet den amerikanske halvlederindustrien det som skulle bli ITRS med bidrag fra industrigrupper fra Europa, Japan, Taiwan og Sør-Korea. Gjennom årene har det skjedd mange endringer i dette veikartet. Frem til begynnelsen av 2000-tallet doblet ikke bare antall transistorer på en brikke hver generasjon, klokkehastighetene økte også, noe som ga en åpenbar økning i ytelsen. Chips fulgte det som ble kalt Dennard-skalering, basert på et papir fra 1974 som sa at når transistorer ble skalert, økte ytelsen med omtrent samme faktor med samme kraft. Men når brikken kom under 90 nm eller så, sluttet det å virke, og etter at brikken nådde 3GHz eller 4GHz, brukte de rett og slett for mye strøm og ble for varme. I stedet for å bruke raskere kjerner, vendte industrien seg til å bruke flere kjerner, som fungerer på noen applikasjoner, men ikke på andre. I mellomtiden ble mobilbrikker mer populært, noe som førte med seg et krav for enda lavere strømbruk.

Nok en stor forandring kom med materialer. I det meste av denne perioden var flis stort sett MOSFET-er eller metall-oksid-silisium-felteffekttransistorer, noe som betyr at basismaterialene var ganske enkle. I løpet av det siste tiåret har vi sett introduksjonen av anstrengt silisium, high-k metallport og FinFET-teknologier - alle metoder for å øke tettheten og ytelsen utover hva tradisjonelle materialer og design kan oppnå. De fleste observatører tror at når vi kommer til 7nm produksjon og nedenfor, vil vi trenge nyere alternative materialer som silisium germanium (SiGE) og indium gallium arsenid (InGaAs) og at vi til slutt kan flytte til en annen transistorstruktur som gate-all -nære transistorer kjent som nanowires.

Nylig har litografiverktøy - de som lyser lysene som aktiverer materialer på silisiumskiven for å tegne mønstrene til brikkedesignet - også vært relativt statiske, med 193nm nedsenkingslitografi som har vært en standard i mange år. Uten erstatning, kjent som ekstrem ultrafiolett (EUV) litografi, blir brikkeprodusenter tvunget til å bruke flere mønstre, noe som øker kostnadene. ASML og dets partnere har jobbet med EUV i noen tid, og det virker nå målrettet mot 7nm produksjon.

Kombinasjonen av slutten av Dennard-skalering, nye materialer og multimønstring har økt kostnadene for å rulle ut hver nye generasjon teknologi. Og det har blitt vanskeligere å gjøre det, med Intel som nylig sa at planene for 10nm var to og et halvt år etter introduksjonen på 14nm, noe som betyr at dette skulle skje i 2017. Samsung og TSMC snakker begge også om å få 10nm chips klare til masseproduksjon i 2017, og det er mulig at de til og med kan slå Intel til denne noden (selv om det selvfølgelig er spørsmål om nodenavn og om prosessene deres er like tette som Intels.)

Endringene i ITRS veikart benekter ikke at fortsatt skalering vil skje en stund, men ikke lenger på den to år lange kadensen vi har vært vant til, og med reelle fysiske grenser. Men den nye versjonen - kalt International Roadmap for Devices and Systems - understreker tilsynelatende i stedet forskjellige typer teknologi for forskjellige applikasjoner, for eksempel sensorer, smarttelefoner og servere; og kombinere forskjellige typer transistorer for forskjellige ting, for eksempel 3D-minne, strømstyring eller analoge signaler.

Så er Moores lov virkelig død denne gangen? Det tviler jeg på. Intel fortsetter å si at "Moores lov er i live og godt", og de og andre gir gode grunner til at chips vil fortsette å bli tettere i løpet av det neste tiåret eller så, selv om kostnadene fortsetter å stige. Men det er ingen tvil om at vi kommer til å se mange endringer i chipdesign, når vi beveger oss lenger og lenger bort fra konseptet med et enkelt design som skalerer fra bittesmå enheter helt opp til datasenteret. Og det betyr at chipdesignere vil møte noen risikable avgjørelser, og at kundene må være enda mer forsiktige med valgene de tar.