Закон Мура — эндшпиль и удивительные продолжения

Одной из технологических основ общества XXI века, несомненно, является «Закон Мура», строго говоря, физическим законом не являющийся. Это эмпирическое наблюдение, впервые сформулированное Гордоном Муром (1929 — 2023) в 1965 году и затем уточнённое в 1975 году — о том, что при существующем темпе развития аппаратного обеспечения число транзисторов на кристалле интегральной схемы удваивается каждые 24 месяца. Этот знаменитый «закон» действительно исправно работал на протяжении XX века и с определёнными оговорками продолжает работать и сегодня. В настоящее время на смену закону Мура постепенно приходит закон Хуанга, точнее описывающий тенденции роста производительности вычислительных систем. Поскольку Гордон Мур практически всю карьеру провёл в корпорации Intel, его тезис можно считать маркетинговой стратегией в производстве микросхем, которой следовали производители, и эта тенденция жёстко зависит от развития фотолитографии. Но у закона Мура оказались интересные следствия, проявившиеся при попытке его обойти или продлить, о которых я кратко расскажу в этой статье.

В 1963 году, накануне появления закона Мура, были изобретены чипы CMOS (КМОП — комплементарный металл-оксидный полупроводник). Проектирование таких чипов было основано на фотолитографии.

Фотолитография – это технология вычерчивания заданного рисунка на кремниевой основе (подложке). При помощи фотолитографии можно получать микросхемы любой заданной топологии. В процессе изготовления микросхемы подложка покрывается светочувствительным материалом (фоторезистом), а поверх фоторезиста — маской, которая оставляет неприкрытыми только те зоны, которые затем нужно обработать лазером (этот шаг называется «травлением» микросхемы). Под воздействием лазера фоторезист испаряется, и на поверхности кремниевой пластины остаётся заданный рисунок. Так она оказывается сегментированной на отдельные транзисторы.

Технология фотолитографии применительно к закону Мура многократно популярно разобрана на Хабре и в других источниках, поэтому здесь о ней достаточно простого упоминания. Но сама суть фотолитографии такова, что она применима к любому полупроводниковому материалу и очень легко масштабируется. Требуется лишь добиться точного воспроизведения топологии, подобрать идеальные линзы и постепенно добиваться утончения рабочего лазерного луча. Так и происходит (до сих пор) миниатюризация микросхем. Гордон Мур, обладавший стратегическим видением перспектив IBM, предвидел поступательное развитие этих технологий и, в частности, источников света. Именно поэтому он смог обрисовать тенденцию, долгое время работавшую с точностью закона.  

Первое поколение КМОП-транзисторов вытравливалось на пластинах таким образом, что отдельные детали рисунка в транзисторах достигали размера около 10 мкм и более. Сегодня в промышленное использование уже вошли чипы размером около 30 нм, а опытные образцы TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) достигают 5 и 3 нм. Переход на линейку чипов по 2 нм запланирован на 2025 год. Вот как, по мнению Intel, выглядит миниатюризация чипов в ближайшем будущем:

Здесь прослеживаются две встречные тенденции. Первая связана с вторжением квантовых эффектов в работу чипа. Квантовые эффекты начинают проявляться уже в чипах размером порядка 28 нм, а при уменьшении чипа до 3-5 нм квантовые эффекты хотя и возможно контролировать, но не учитывать нельзя. Современная полупроводниковая индустрия — это продажа идеально гладких кремниевых и германиевых пластин шириной по несколько миллиметров, а капитальные затраты на организацию нового предприятия по производству чипов оцениваются не менее чем в 3 миллиона евро. Вторая тенденция — экономическая. Наращивать вычислительную мощность устройств, одновременно удешевляя их, пока можно, только придерживаясь закона Мура, то есть, умещая на единице площади пластины всё больше и больше транзисторов.

Таким образом, к началу второго десятилетия XXI века закон Мура начал сбоить, а сейчас близок к своему финалу. Диаметр атома кремния — около 0,24 нм, это и есть физический предел миниатюризации полупроводникового транзистора. На вышеприведённой диаграмме хорошо видно, что близкую к закону Мура динамику демонстрируют и другие показатели вычислительной техники: частота процессора, производительность однопоточных программ, количество логических ядер.      

Представляется, что исчерпание возможностей закона Мура неизбежно наступит (причём, достаточно скоро), но в этом нет ничего непоправимого. Сейчас продолжаются изыскания, как добиться дальнейшего уменьшения и ускорения устройств. Существовали опасения, что уже за пределом 20 нм мы столкнёмся с такими сложностями, при которых развитие полупроводниковой промышленности остановится, но этого не произошло.   

Тем не менее, вышеприведённая диаграмма позволяет сделать вывод, что и у других выведенных на ней величин есть объективные физические пределы, которые рано или поздно будут достигнуты. Вторичен вопрос о коммерческой успешности приборов, которые работали бы «на пределе», но мельчайший транзистор в любом случае не может быть меньше атома того элемента, из которого он сделан. В качестве транзистора вполне может использоваться единственный атом, который будет переключаться из состояния в состояние (0|1) при попадании фотона. Кроме того, скорость распространения волнового фронта в проводе также зависит от состава провода, поэтому существует и максимально возможная пропускная способность.

Пока мы ещё очень далеки от абсолютных физических пределов миниатюризации (транзистор в сотни раз больше атома). Что касается максимальной частоты процессора – к ней близок AMD FX, развивающий частоту около 8,429 ГГц, но только при охлаждении в жидком азоте. При этом теоретически реализуемая частота процессора может немного превышать 22 ГГц — этот предел задан скоростью распространения электричества в проводнике.

Как обойти закон Мура

Теоретические пределы существуют всегда, и это ещё не означает, что они достижимы на практике. Например, КПД 100% недостижим по чисто термодинамической причине. Уже известен экспериментальный процессор, работающий при сверхнизких температурах и сконструированный с применением сверхпроводников, теоретически разгоняемый до частоты 10 ГГц. При изготовлении полупроводниковых пластин не из кремния, а из более экзотических соединений, например, арсенида галлия, представляется возможным добиться частоты 1 ТГц (1000 ГГц). Но на практике ускорение вычислений должно достигаться не столько в физически-аппаратной плоскости, сколько через совершенствование алгоритмов и развитие квантовых компьютеров, одним из наиболее перспективных среди которых является Borealis. По-видимому, именно с появлением общедоступных квантовых компьютеров закон Мура окончательно потеряет актуальность. Но в настоящее время вычислительную мощность пытаются наращивать не только через миниатюризацию транзисторов, но и через опыты с их компоновкой. Нащупывая предел миниатюризации транзисторов, производители устройств пытаются экспериментировать с компоновкой кристаллов, выстраивая из них этажерочные структуры. Поскольку кристаллы очень тонкие, удаётся практически удвоить число транзисторов в приборе, почти не увеличивая его вес и габариты.

Что касается подключения ИС друг к другу, многообещающим решением кажутся оптические волноводы. Оптическая шина в сравнении с обычной электрической существенно увеличивает пропускную способность, а ещё такую шину проще защитить от помех и посторонних сигналов (которых она также не даёт). Оптические волноводы уже применяются в телевизорах для подключения динамиков именно потому, что при работе с динамиками важно не допускать зашумленности.

В остальном развитие вычислительных мощностей в первой половине XXI зависит не столько от закона Мура, сколько от новых алгоритмов, оптимизации производительности, в том числе, путём перехода на низкоуровневые языки, а также развития квантовых вычислений.

Полагаю, к теме трёхмерного структурирования кристаллов на чипе ещё вернусь в отдельной статье. Здесь же давайте подробнее поговорим о перспективах фотоники в качестве замены электронике в производстве чипов.

Субсветовой предел

В настоящее время компания Intel выводит в массовое использование транзисторы, имеющие в поперечнике 14 нанометров — то есть, всего в 14 раз шире молекулы ДНК. Транзисторы удобно изготавливать на кремниевой подложке, так как кремний — второй по распространённости элемент в земной коре, уступает только кислороду. Если бы в середине прошлого века развитие полупроводниковых технологий пошло на основе германия, а не на основе кремния, вычислительная техника могла бы никогда не стать столь массовой, как сегодня.

Современные транзисторы имеют около 70 атомов кремния в ширину, а их логическое переключение и связь между ними обеспечиваются при помощи электричества (электронов). Скорость распространения электрического сигнала в проводнике равна скорости света, однако при обычном напряжении электроны могут развивать  в полупроводнике (кремниевой пластине) около 90% от скорости света. Оптический транзистор, в работе которого участвовали бы лазер и система линз, определённо будет крупнее электронного транзистора, но и передача информации в нём значительно ускорится. В 2021 году в Страсбургском университете была предложена модель универсального фотонного транзистора, а другое исследование показало, что фотонные транзисторы могут работать в 100-1000 раз быстрее традиционных, имеющихся на рынке. Кроме того, оптические транзисторы вполне можно интегрировать с обычными, постепенно заменяя старую технологию новой.

Транзистор состоит из трёх элементов: истока, вентиля и стока. Можно провести аналогию между транзистором и цифровой камерой с картой памяти. В данном случае роль истока играет объектив (через объектив в камеру поступает свет). Далее свет проникает на матрицу камеры, и этот канал играет роль вентиля. Наконец, информация сохраняется на карте памяти, которая в этом примере аналогична стоку.

Поскольку фотон, как и электрон — это волна, не существует фундаментальных препятствий, которые не позволяли бы передавать информацию в чипе при помощи света, а не электрического сигнала. Более того, даже в пределах видимого спектра длина волны у фотонов заметно отличается, что обеспечивает значительную гибкость при передаче данных. Но вибрация волны электрона подобна вибрации волны фотона, поэтому электронные технологии в принципе можно переориентировать на фотонные.

Длина волны зависит от того, через какую среду распространяется свет. В прозрачном кристалле кремния рабочая длина фотона, удобная для передачи сигнала, составляет 1,3 микрометра. У электронов в кремниевом кристалле такие волны гораздо короче, примерно в 50 – 1000 раз.

Это значит, что транзисторы для работы с фотонами должны быть крупнее электронных, а вместе с транзисторами увеличатся и сами устройства. Но на практике оказывается, что увеличивать чипы совершенно необязательно, а вычислительную мощность устройств можно нарастить. Дело в том, что для работы фотонного чипа нужно лишь несколько источников света (генераторов фотонов), а направлять их в пределах устройства можно при помощи специальной системы линз и зеркал.

В кремниевом кристалле свет движется примерно в 20 раз быстрее, чем электроны, что означает двадцатикратное ускорение вычислений. Следуя закону Мура, такого прогресса можно добиться не менее чем за 15 лет.

В последние годы достигнут существенный прогресс в производстве фотонных чипов. Сейчас основной упор делается на включение фотонных элементов в традиционные интегральные схемы и на ускорение традиционных архитектур в качестве проверки работоспособности фотонной микроэлектроники.

Графеновый транзистор

Однако существует ещё один прямолинейный способ продлить действие закона Мура — отодвинуть предел миниатюризации транзистора можно, перейдя с кремния на углерод. Радиус атома углерода — около 70 пикометров, что существенно меньше радиуса атома кремния (111 пикометров). В сущности, транзистор — это микроприбор, позволяющий усиливать или переключать электрические сигналы. За «перещёлкивание» транзистора отвечает вентиль, его центральная часть, состояния вентиля соответствуют «0» или «1». Поскольку вентиль — лишь часть транзистора, можно предположить, что в графеновом транзисторе размер вентиля можно довести до 1 нанометра и даже менее, но это и есть абсолютный предел, на котором может действовать закон Мура. В статье Тянлинь Рена от 2020 года описан действующий транзистор длиной 0,34 нм.

В интервью сайту IEEE Spectrum Тяньлин Рен утверждает, что более миниатюрный транзистор создать невозможно. Он рассказал, что это не первый действующий углеродный транзистор, и этот прибор изготовлен на основе более ранних моделей, где для передачи сигнала использовались углеродные нанотрубки. Лист графена — это, фактически, развёрнутая в плоскости углеродная нанотрубка, но китайские учёные получили графеновый слой иным образом: напылением атомов углерода на подложку из диоксида кремния. Затем между слоем углерода и диоксидом кремния был проложен слой оксида алюминия, позволивший изучать свойства графенового слоя в отдельности. Затем в этом трёхслойном материале было вытравлено подобие ступеньки, вдоль которой удалось вертикально расположить часть графенового слоя, создав импровизированный транзисторный вентиль.   

Заключение

Закон Мура по состоянию на начало 2023 года можно охарактеризовать фразой «это было навсегда, пока не кончилось». Потребность в вычислительных мощностях продолжает расти, и в этой статье было обрисовано три основных пути, которые, возможно, помогут свернуть с заданного им трека:

1. Конструирование квантовых компьютеров (пока квантовое превосходство достигнуто на единичных машинах, а именно на Google Sycamore в США, Цзючжан в Китае и Borealis в Канаде).

2. Конструирование фотонных транзисторов, основанное на сходстве волновой природы электрона и фотона.

3. Конструирование графеновых транзисторов, призванное механически продлить действие закона Мура за счёт уменьшения размеров вентиля в транзисторе.

В практической плоскости эти проблемы, вероятно, приведут к ускорению вычислений программными, а не аппаратными средствами: к появлению новых алгоритмов, вариантов оптимизации, и даже новых языков программирования. Но в описанных изысканиях, особенно в проектировании трёхмерных чипов, есть малозаметный фундаментальный компонент: возможно, необходимость учитывать при вычислениях как квантовые эффекты, так и взаимное расположение мельчайших транзисторов, поможет быстрее создать теорию квантовой гравитации. Возможно, также будет найден путь к созданию вероятностных процессоров, на данный момент остающихся гипотетическими. Некоторые из этих разработок надеюсь подробнее разобрать в одной из следующих статей.