Среда, 28 февраля, 2024

16+

От компонентов к микросхеме: работает ли закон Мура?

Время на чтение 5 мин.

В 1940-е британский инженер Джеффри Даммер работал в Научно-исследовательском центре телекоммуникаций в Малверне. Даммер руководил отделом в испытательной лаборатории, его интерес заключался в поиске новых материалов и компонентов для радаров. Хотя радиолокационное оборудование уже применялось, его надежность оставалась на чрезвычайно низком уровне. Даммер с коллегами сделали несколько важных открытий в этой области, но в историю инженер вошел как пророк интегральной микросхемы.

Создавая микрочип

Исследуя новые материалы и методы производства, Даммер пришел к выводу, что несколько компонентов микросхемы можно объединить на одном кристалле кремния. В 1952 году на симпозиуме по электронным компонентам, который проходил в столице США Вашингтоне, Даммер выступил с несколькими идеями относительно новой концепции.

С появлением транзистора и работы над полупроводниками, в целом, теперь кажется возможным представить электронное оборудование в виде сплошного блока без соединительных проводов. Блок может состоять из слоев изолирующих, проводящих, выпрямляющих и усиливающих материалов, при этом электронные функции подключаются напрямую путем вырезания участков различных слоев.

Это заключительные слова доклада Даммера сегодня считаются первым доступным описанием интегральной микросхемы. Однако на тот момент воплотить ее в жизнь еще не представлялось возможным.

Прорыв произошел на рубеже 1950-х и 1960-х. Три компании, работавшие с транзисторами, сумели решить фундаментальные проблемы, стоявшие на пути интегральных микросхем. Джек Килби из Texas Instruments создал и запатентовал способ объединения компонентов на одном чипе и принципы серийного производства. Курт Леговец из Sprague Electric Company придумал способ изоляции компонентов схемы p-n-переходом, который исключает паразитное взаимодействие между ними. Роберт Нойс предложил способ электрического соединения компонентов металлизацией алюминием и усовершенствовал изобретенную Жаном Эрни планарную технологию — совокупность процессов для изготовления плоских интегральных микросхем.

Разумеется, между компаниями немедленно разразилась война патентов, которая длилась целых шесть лет. К счастью, конкуренты смогли прийти к соглашению о перекрестном лицензировании технологий. Человечество вступило в эру интегральных микросхем.

Закон есть закон. Или нет?

В 1965 году инженер Гордон Мур, в то время директор по исследованиям и развитию Fairchild Semiconductor, одного из ключевых игроков Силиконовой долины 1960-х, готовился к выступлению на конференции. Анализируя данные о развитии микросхем, Мур заметил: новые модели чипов появляются примерно через год после предыдущих, при этом количество транзисторов на них удваивается. На основании этого инженер предположил, что к 1975 году количество компонентов чипа вырастит с 26 до 216. То есть мощность вычислительных устройств растет экспоненциально. Спустя 10 лет Мур уточнил закон, сформулировав его так: каждые два года количество транзисторов на микросхеме будет удваиваться. Как следствие, вычислительные мощности будут возрастать, а компьютеры будут становиться все дешевле.

Необходимо отметить, что закон Мура — это вовсе не закон, а наблюдение, сформулированное на основе фактов. Несколько десятилетий он работал, но в 2003 году Мур, уже будучи в ранге одного из основателей компании Intel, опубликовал статью (pdf) No Exponential is Forever: But „Forever“ Can Be Delayed!, в которой признал, что его закон не будет работать бесконечно, ведь экспоненциальный рост любой величины должен достигнуть какого-то предела. Со временем станет невозможно изготовить достаточно маленькие транзисторы, чтобы удвоить их количество на микросхеме просто в силу атомарной структуры вещества и фундаментального физического ограничения в виде скорости света. Но что скрывается за этими словами? Почему вообще производители гонятся за уменьшением размера транзисторов?

Ответ на последний вопрос довольно прост: чем меньше транзистор, тем меньше он потребляет энергии, а чем больше транзисторов на плате, тем больше ее вычислительная мощность. В процессоре Intel Core i7, представленном в начале 2020-х, 8,2 миллиарда транзисторов. Однако, если следовать предсказанию Мура, их должно быть уже в два раза больше. Почему же не получилось?

Для изготовления микросхемы используется метод фотолитографии: лазер выжигает на кремниевой подложке процессор, используя специальный трафарет. Чем меньший размер нам нужен, тем меньше должна быть длина волны лазера. Когда лазеры перешли в ультрафиолетовый спектр — минимальную длину волны для видимого излучения, — настал переломный момент: компании уже не могли разработать лазер достаточной длины волны. Однако эту проблему получилось обойти разнообразными ухищрениями: лазеры преломляли через воду, повышая разрешение, использовали несколько трафаретов с разными рисунками и прочее.

Даже если нам и дальше удастся выжигать лазерами всё меньшие компоненты, в какой-то момент мы придем к транзистору, равному по размеру атому. И тут конец нашим изысканиям: природа не позволит изготовить что-то более миниатюрное.

Но возникла другая проблема, которая также ударила по закону Мура: с увеличением количества транзисторов перестала пропорционально увеличиваться тактовая частота. Иначе говоря, процессоры перестали становиться более производительными. Дело в том, что транзисторы упакованы на чипе так плотно, что электроны произвольно перетекают между участками микросхем, сбивая вычисления и формируя паразитное энергопотребление.

Наконец, третье следствие закона Мура — удешевление компьютеров — также перестало работать. Компаниям приходится инвестировать гигантские средства в разработку новых техпроцессов — стало быть, их продукция просто обязана дорожать.

Впрочем, пока что описанные выше ограничения худо-бедно получается обходить. Создаются многоядерные процессоры, какие-то вычисления отдают видеокартам, модифицируют другие компоненты, чтобы в целом сделать технику более привлекательной для потребителя. Ну а производители софта со своей стороны оптимизируют программы, подстраиваясь под возможности железа.

Но что будет дальше? Intel продолжает верить в заповедь своего основателя, а конкуренты ее нещадно за это высмеивают. Очевидно, человечество найдет решение проблемы, а пока придется смириться с тем, что вычислительные мощности будут расти медленно, а цены наоборот — довольно быстро.

Оставьте ответ

Пожалуйста, введите свой комментарий!
Пожалуйста, введите ваше имя здесь