Закон Мура, или Каким путем пойдет дальнейшее развитие полупроводников?

19 апреля 1965 г. в журнале Electronics (vol. 39, № 8), в рубрике «Эксперты смотрят в будущее» вышла статья Гордона Мура «Объединение большего количества компонентов в интегральных схемах» (Gordon Moore. Cramming more components onto integrated circuits). В ней будущий сооснователь корпорации Intel, работавший в то время директором отдела разработок компании Fairchild Semiconductors, дал прогноз развития микроэлектроники на ближайшие десять лет на основании анализа шестилетнего развития микроэлектроники, предсказав, что количество элементов на кристаллах электронных микросхем будет и далее удваиваться каждый год. Вскоре эта эмпирически подмеченная закономерность получила название закона Мура (Moore’s Law) и стала, пожалуй, самым знаменитым обобщением в IT-сфере и полупроводниковой индустрии, задав фундаментальный вектор развития технологии, которому разработчики микропроцессоров невольно стараются следовать вот уже более сорока лет. Хотя, строго говоря, закон Мура не принадлежит к числу научных – физических или математических – законов, на базе которых строятся современные представления об окружающем мире, он оказался очень удобным для прогнозирования прогресса в микроэлектронике.

Закон Мура в простой и доступной форме определяет фантастические, недоступные ни одной другой отрасли темпы развития полупроводниковой индустрии. На ее стремительном росте сегодня зиждется вся мировая экономика, уже немыслимая без компьютеров. Обнаруживая действие закона Мура во все новых сферах высоких технологий, мы лишь подтверждаем наличие постоянного и стремительного прогресса.

В пору, когда Мур сделал свое предсказание, микроэлектроника пребывала в зачаточной фазе своего развития. Первый транзистор был создан в 1947 году, но лишь в 1956 году за его открытие Бардину, Браттейну и Шокли вручили Нобелевскую премию по физике. Первая микросхема заработала 12 сентября 1958 года в компании Texas Instruments, но Нобелевскую премию по физике за ее изобретение присудили лишь в 2000 году. Создателями микросхемы, то есть «отцами» современной микроэлектроники считаются Джек Килби и Роберт Нойс - один из основателей Intel. Кстати, к 1965 году в самой сложной микросхеме компании Fairchild было всего лишь 64 транзистора, и о каких-либо достоверных статистических данных в этой отрасли не приходилось и говорить. Поэтому остается лишь поражаться, как в таких обстоятельствах Гордон Мур сумел предугадать головокружительные темпы развития всей отрасли на несколько десятилетий вперед.

Выступая в 1975 году на конференции International Electron Devices Meeting, Гордон Мур отметил, что за прошедшее десятилетие количество элементов на кристаллах действительно удваивалось каждый год, однако в будущем, когда сложность чипов возрастет, удвоение числа транзисторов (и соответствующее уменьшение их размеров) в микросхемах будет происходить несколько медленнее – каждые два года. Это новое предсказание также сбылось, и закон Мура продолжает в этом виде (удвоение за два года) действовать поныне (то есть в течение почти 30 лет!), в последнее время немного ускорившись до удвоения за 18 месяцев, что можно наглядно проследить на примере деятельности лидера современной полупроводниковой индустрии – корпорации Intel.



В действительности, закон Мура базируется на экономике. Ведь каждая новая технологическая генерация требует существенных инвестиций в оборудование, сооружения, технологии, обучение персонала. Эти затраты должны окупиться и принести прибыль, из которой финансируются новые научные исследования. Для этого требуется около полутора – двух лет. Казалось бы, дальнейшая эксплуатация этих ресурсов дает наибольшую прибыль, однако здесь вступаю в силу законы конкуренции и, как правило, за этот период (2 года) появляется целый ряд компаний, владеющих такой же технологий, что заставляет лидеров переходить к следующему, более высокому уровню интеграции элементов.

Гордон Мур

Почетный председатель совета директоров и основатель корпорации Intel получил степень бакалавра химии в Университете Беркли в Калифорнии, затем - степень доктора наук в области химии и физики в Калифорнийском Технологическом институте. В 1968 году Мур совместно с Робертом Нойсом основали корпорацию Intel. Здесь Мур первое время занимал должность исполнительного вице-президента, а в 1975 году был назначен президентом и главным исполнительным директором Intel. В 1979 году его избрали председателем совета директоров, и в этой должности он проработал до 1987 года.

Гордон Мур является членом Национальной Академии технических наук, почетным членом Института инженеров по электротехнике и электронике, председателем совета попечителей Калифорнийского Технологического института. В 1990 году он был награжден Национальной медалью за достижения в сфере технологий, в феврале 2002 года удостоился медали Бауэра, которая ежегодно присуждается Институтом науки и искусств имени Франклина за выдающийся вклад в развитие науки и технологий. Как отмечается в официальном сообщении Института, Гордон Мур награжден медалью Бауэра за «новаторство и обширный вклад в развитие полупроводниковых технологий, а также за горячую приверженность идеям использования научных открытий на благо общества». Наряду с медалью Бенджамина Франклина медаль Бауэра считается одной из старейших и наиболее престижных наград США за научные достижения. Награды Института, которые часто называют американскими Нобелевскими премиями, вручаются с 1824 года. Их лауреатами в свое время стали такие всемирно известные ученые, как Альберт Эйнштейн, Томас Эдисон, Мария и Пьер Жан-Клод Кюри, Жак Ив Кусто. Как подчеркивают представители Института, «свидетельством выдающихся технических и предпринимательских достижений Гордона Мура служит его новаторский подход, изменивший современный мир благодаря изобретению все более быстрых, компактных и все более доступных по цене микропроцессоров».

Интересные цифры

В 2003 году Гордон Мур подсчитал, что количество транзисторов, ежегодно поставляемых на рынок, достигло 10.000.000.000.000.000.000 (10¹⁹).

Разрабатываемый сейчас в Intel метод производства микропроцессоров предусматривает, что расстояние между транзисторами на чипе составит одну десятитысячную толщины человеческого волоса. Это равносильно тому, чтобы провести автомобиль по прямой длиной в 650 км с отклонением от оси менее 2,5 см.

В 1978 году авиабилет по маршруту Нью-Йорк – Париж стоил около 900 долларов, а перелет длился 7 часов. Если бы авиаиндустрия развивалась в соответствии с законом Мура, то сегодня авиабилет на тот же маршрут стоил бы менее цента, а перелет занял бы менее одной секунды.

За время существования корпорации (с 1968 года) себестоимость производства транзисторов упала до такой степени, что теперь обходится примерно во столько же, сколько стоит напечатать любой типографский знак — например, запятую.

В процессе разработки микропроцессоров, содержащих один миллиард транзисторов, удалось уменьшить величину транзисторов до такой степени, что теперь на булавочной головке могут разместиться 200 млн. таких элементов.



Современные транзисторы производства корпорации Intel открываются и закрываются со скоростью полтора триллиона раз в секунду. Чтобы включить и выключить электрический выключатель полтора триллиона раз, человеку потребовалось бы 25 тысяч лет.

Перспективы

За истекшие 44 года скептики сотни раз предсказывали закону Мура скорую «кончину», но ученые и инженеры своими открытиями и неустанным трудом снова и снова подтверждали провидческий дар и безупречность выводов одного из основателей корпорации.

На весеннем Форуме Intel для разработчиков (IDF), проходившем в 2002 году, главный технический директор корпорации Патрик Гелсингер сказал: «Наша задача состоит сегодня не только в том, чтобы продлить жизнь закону Мура, но и в том, чтобы максимально расширить сферу его действия, распространив его и на другие области». «Честно говоря, я часто спрашивал себя, когда же закончится действие закона Мура, как долго мы еще сможем пользоваться его плодами? — говорит Гелсингер — В 1980 г., когда я пришел в Intel, мы ломали голову над тем, как достичь технологической нормы производства микропроцессоров в 1 микрон. В 90-е годы перед нами встала задача внедрить технологическую норму в одну десятую микрона, и опять она казалась недостижимой. А сегодня мы думаем о том, как преодолеть барьер в сотую долю микрона... Закон Мура будет жить. Уверен, что еще не одно десятилетие он будет руководящим принципом развития отрасли».



Одной из «непреодолимых» проблем считалась невозможность дальнейшего уменьшения толщины подзатворного диэлектрика, что требовалось для сохранения емкости при уменьшении топологических размеров транзистора. Действительно, уже при 65 нм технологии толщина подзатворного диэлетрика составляет 1,2 нм (5 молекулярных слоев!), и дальнейшее ее уменьшение неизбежно приводит к катастрофическому росту токов утечки. Однако инженеры Intel решили эту проблему кардинально: они отказались от традиционного материала диэлектрика – диоксида кремния – и перешли к новому компоненту с существенно большей диэлектрической константой (high-k) – оксиду гафния. Это позволило достичь требуемой емкости при приемлемых толщинах диэлектрика. Это был столь существенный технологический скачок, что Гордон Мур написал: «Реализация high-k... означает наиболее революционное изменение в технологии со времени изобретения MOS-транзисторов с поликремниевыми затворами в конце 60-х годов».

В своем выступлении на осеннем IDF 2005 года Паоло Джарджини, директор по технологической стратегии корпорации Intel, подтвердил, что закон Мура продолжает действовать, что в полном соответствии с ним Intel продолжает вводить новые технологические процессы каждые два года. Залогом успешной деятельности в этом направлении служат ежегодные многомиллиардные вложения корпорации в исследования и разработки, постоянную модернизацию и расширение своих производственных мощностей.

В 2005 году началось производство чипов по технологии 65 нанометров, в 2007-м был осуществлен переход на 45-нанометровый процесс, 2009 г. — внедрение 32-нанометрового, а в 2011 году настанет черед 22 нм. Как подчеркивает Паоло Джарджини, вплоть до 2020 года Intel сможет создавать транзисторы по современной схеме работы — с двумя электродами и затвором между ними. К тому времени, однако, размеры всех элементов транзистора достигнут атомарных и уменьшать их дальше будет невозможно. Следовательно, уже сейчас необходимо искать новые подходы. Один из них — организация передачи сигнала с использованием спиновых волн.

В лабораториях уже сейчас разрабатываются идеи, которые будут воплощены в чипах только через 10-15 лет. Одна чисто теоретическая идея заключается в многократном использовании электронов. В современных архитектурах электроны перемещаются от истока к стоку, а затем теряются. «При утилизации вы просто переносите электрон в другое место, — пишет Джарджини в одной из своих работ. — Можно производить множество операций, не теряя электронов».

Другая альтернатива — углеродные нанотрубки и кремниевые нанопровода, в которых можно достичь более высокой скорости электронов. Транзисторы, изготовленные из таких материалов, имеют сопоставимые размеры. Диаметр углеродных нанотрубок составляет 1-2 нм, но в экспериментальных транзисторах исток и сток расположены по их длине. Это позволяет повысить быстродействие и уменьшить потребляемую энергию, однако размер сильно не сократится.

«Экзотические структуры, такие как углеродные нанотрубки, могут найти применение в технологии КМОП (комплементарные металл-оксидные полупроводники) не столько для ускорения темпов миниатюризации, сколько для повышения производительности устройств или, возможно, упрощения их изготовления, — пишет Джарджини. — Даже если для цифровой логики будет изобретено принципиально иное средство перемещения электронов, возможности его масштабирования для повышения плотности и производительности не зайдут много дальше пределов, достижимых технологией КМОП, главным образом, из-за ограничений, налагаемых требованием отвода тепла».

Другое решение — изготавливать чипы больших размеров, наращивая их площадь или строя трехмерные многослойные микросхемы. Такие решения предлагал сам Гордон Мур, а также профессор Стэнфордского университета Том Ли и некоторые другие исследователи. Каким путем пойдет дальнейшее развитие полупроводников — покажет время.

Так или иначе, практическая деятельность Intel не только продлевает жизнь закону Мура, но и распространяет его действие на самые разные сферы. Микропроцессоры становятся вездесущими, а достижения высоких технологий — максимально демократичными, поскольку наравне с традиционными сферами применения предлагается использовать их и в новых областях – в беспроводных технологиях, сенсорах и сенсорных сетях, а также в оптических устройствах. В следующем году Закону Мура исполнится 45 лет. По мнению Intel, его действие не заканчивается.