Долгосрочные планы по увеличению производительности микропроцессоров и развитию полупроводниковой индустрии, согласно ITRS (International Roadmap for Semiconductors), напрямую связаны с разработкой технологий и материалов, способных заменить традиционную CMOS электронику и кремний. Сложность этой задачи трудно переоценить, поскольку поиск таких альтернатив сродни попыткам найти заменитель воды для наших повседневных нужд…
Привычная нам H2O – невероятно интересная жидкость. Она представляет собой универсальный растворитель, прозрачна для видимой части светового спектра и способна двигаться против силы гравитации под воздействием капиллярных эффектов. Вода высокоэффективна для охлаждения и требует большое количество энергии для превращения в пар. Она становится менее плотной и расширяется при замерзании, а также легко смешивается со многими другими жидкостями. У нее высокий коэффициент преломления, нейтральный pH, её легко очистить и она в изобилии встречается практически всюду. Список можно продолжать и дальше, но суть в следующем: существует немало жидкостей, которые превосходят воду по своим характеристикам в какой-то одной области, но ни одна из них не является адекватной заменой, если принять во внимание все характеристики.
Отказаться от кремния в электронике сегодня практически так же сложно, как и отказаться от воды в повседневной жизни.
Таким же образом, существует ряд технологий, способных улучшить какие-то отдельно взятые аспекты текущей технологии производства, и существует ряд материалов, способных заменить кремний. Но такая замена потребует множества изменений практически на всех этапах производства. Локальными изменениями обойтись не удастся.
Отчеты ITRS рассматривают практически все известные на данный момент альтернативы: использование углеродных нанотрубок, графена, нанопроводов, спинтроники, германия и т.д. Не упомянут разве что молибден. Описание, что представляет из себя каждая из этих технологий легко потянет на самостоятельный пост, поэтому вместо этого, остановимся на вопросе «когда?».
Отчеты не являются подчеркнуто мрачными, но указывают на серьезность имеющихся проблем. Таблица ниже показывает различные этапы процесса производства и когда соответствующая технология теоретически может быть готова к внедрению в них.
Можно заметить, что в ближайшем будущем ожидается появление ряда новых технологий в области device packaging'а. Именно поэтому эта область сейчас притягивает к себе столько внимания. В ближайшие 3-5 лет компании -производители CPU могут рассчитывать на инновации в этой области. Прогресс практически во всех остальных областях требует преодоления тех или иных технологических препятствий. Вероятно, использование графена или углеродных нанотрубок окажется следующей технологией, готовой к использованию при создании элементов памяти и логики, но «официальная» точка зрения говорит, что эти технологии достигнут уровня коммерческой применимости не ранее, чем через 10-15 лет.
А следующая таблица показывает ожидаемые показатели эффективности от использования новых технологий в сравнении с технологиями, применяемыми сейчас. Значения меньше 2 означают ухудшение, а больше двух – улучшение по сравнению с текущими показателями.
Каждая из этих технологий имеет больший потенциал, чем кремний, но их использование требует идти на множество компромиссов. Во многих случаях решение возникающих проблем неизвестно даже приблизительно. А указанные в ITRS сроки внедрения – лишь спекуляция на тему того, что за это время решение будет найдено.
Лучше всего масштаб проблем виден на примере углеродных нано трубок. Для того, чтобы рассматривать их как материал для электроники будущего, необходимо научиться их выращивать с ничтожно малой долей примесей. За последние 1-2 года в этом направлении практически ничего не изменилось: достижимая сейчас чистота составляет 99% или даже 99.8%, в то время, как надо достигнуть более чем 99.999999999999% чистоты. Возвращаясь к аналогиям с водой – это одна капля примесей на дюжину олимпийских бассейнов воды. Если бы сейчас появилась технология, менее требовательная к чистоте и точности операций, чем CMOS – она бы стала главным кандидатом на скорейшее внедрение. Но увы…
Объем воды в олимпийском бассейне ~2500 м3
Общее число рассматриваемых «технологий будущего» говорит о том, что никто сейчас в действительности не знает, какая из них окажется наиболее полезной. Иногда звучат резкие заявления, но нет никакого согласия в том, что окажется вероятной заменой текущей технологии.
Как бы то ни было, в среднесрочной перспективе транзисторы продолжат уменьшатся. Переход производства на кремниевые пластины диаметром 450мм должен сократить издержки производства (хотя последние заявления ASML заставляют усомниться в этом, как и в том, появятся ли вообще 450мм пластины). В целом тренд будет направлен на повышение энергоэффективности, а не производительности. А использование подходов вроде More-than-Moore означает, что хоть рост производительности в привычных для этого местах останется крайне скромным, но, возможно, производительность возрастет там, где этого не ждали.
Одно ясно точно: даже если удастся и дальше совершенствовать техпроцесс (14нм, 10нм, 6нм…), то практическая выгода от этого (и без того сейчас небольшая) с каждым следующим шагом практически сходит на нет. И единственный выход – поиск альтернативных технологий.
С другой стороны, в этом есть свои плюсы. Эта ситуация заставляет все компании, начиная от Intel и AMD, и заканчивая Google и Nvidia, пересмотреть базовые принципы того, как обрабатываются данные. На протяжении последних 30 лет прогресс шел одним и тем же, наиболее легким путем, но есть и другие. Возможно, такое переосмысление базовых принципов даст гораздо больший выигрыш, нежели совершенствование технологии производства и повышение тактовой частоты.
Автор: yurav
