Za 5 lat nastąpić ma kres miniaturyzacji. Na dalszą nie będzie pieniędzy

Za pięć lat nastąpi koniec świata jaki znamy. Tranzystoryprzestaną się zmniejszać, technologie miniaturyzacji, którenapędzały przez całe dziesięciolecia postęp w komputerowejbranży staną się bezużyteczne, a prawo Moore’a przez prasę po raz kolejnyzostanie ogłoszone za martwe. Doszliśmy do ściany 10 nanometrów idalej już nie pójdziemy – takie to przewidywanie znalazły się wbranżowym raporcie 2015 International Technology Roadmap forSemiconductors, który został oficjalnie opublikowanyprzez stowarzyszenie Semiconductor Industry Association.

To znacznie bardziej pesymistyczna wizja przyszłości wporównaniu do tego, co mogliśmy zobaczyć jeszcze w raporcie z 2013roku, kiedy to prognozowano spowolnienie miniaturyzacji, ale nie jejkres. Tym razem jednak, biorąc pod uwagę realne doświadczeniawiodących firm branży półprzewodników z procesamilitograficznymi i ich opłacalnością. To nie tylko fizyka jestproblemem. Po prostu na dalszą miniaturyzację może nie być jużpieniędzy. Co więcej już dziś obserwujemy wiele segmentów rynkupółprzewodników, gdzie po prostu miniaturyzacja przestała sięopłacać, więc od lat korzysta się z ostatniego opłacalnegoprocesu, np. 40 nm.

Zamiast gonić za miniaturyzacją, stwierdzają autorzy raportu,producenci sięgną po inne metody zwiększenia gęstościtranzystorów, przede wszystkim pójścia w trzeci wymiar i układaniana sobie elektroniki warstwa po warstwie. Kwestią otwartą pozostajeto, czy im się to uda – i kto zostanie na rynku, by robić todalej. Problem bowiem w tym, że w wyścigu o utrzymanie się wczołówce, który przez wiele lat można było też ukazywać jakowyścig o nadążenie za przewidywaniami prawa Moore’a, niewielujuż zostało.

Według analityka Dana Hutchesona z VLSI Research, w 2001 roku naglobalnym rynku działało 19 producentów czipów, zdolnych dowytwarzania konkurencyjnych produktów. Dzisiaj zostało ich jedynieczterech – to Intel, Samsung, TSMC i Global Foundries. Do niedawnabył tu jeszcze IBM, ale Wielki Błękitny w końcu sprzedał swojefabryki Global Foundries. Do tego jeszcze coraz częściej ciproducenci mają coraz mniej do gadania. To zamawiający czipy, ichprojektanci, wskazują, czego potrzebują. Branża już nie jeststerowana od dołu do góry, lecz od góry do dołu, liczą sięzastosowania – i do nich producenci półprzewodników muszą siędostosować, czy będzie to Internet Rzeczy, superkomputery czysmartfony.

Oczywiście trójwymiarowe upakowanie czipów już nie jest tylkoeksperymentem, w segmentach takich jak pamięci flash NAND stosujesię to na skalę przemysłową. Coraz częściej rozważa się teżmonolityczne konstrukcje 3D, w których zamiast niezależnych warstw,spinanych w pionie grubymi magistralami przezkrzemowych ścieżek(TSV), na każdą warstwę nakładana jest kolejna, a ich pionowepołączenia są tak gęste jak połączenia poziome.

Właśnie dlatego, podkreślają analitycy, nie ma co znów mówićo kresie prawa Moore’a, ponieważ w swoim oryginalnym brzmieniu nicono nie mówi o miniaturyzacji ani o formie upakowania tranzystorów.Mówi jedynie, że liczba tranzystorów w czipach podwaja się co dwalata. Można by było iść tu dalej z miniaturyzacją, gdyby niepieniądze. Po prostu trójwymiarowe struktury bardziej sięopłacają.

Nie jest to pierwszy raz, gdy branża musi zrobić zwrot,odchodząc od tego, co wcześniej robiła. Gdy tranzystory malały irosła gęstość ich upakowania, rosła też szybkość komputerów.W połowie lat 90 jednak okazało się, że konieczność„okablowania” rosnącej liczby tranzystorów za pomocąwykorzystanych w tym celu metalicznych warstw jedynie spowalniaczipy. Konieczne stało się przeprojektowanie mikroarchitektury. Wpołowie lat zerowych XXI wieku sytuacja się powtórzyła –skończył się wyścig na gigaherce, przez wysoką gęstośćupakowania tranzystorów i generowane przez nie ciepło nie dało sięjuż podbijać zegarów. Wtedy to nastąpił zwrot w stronęarchitektury wielordzeniowej. I wtedy też zobaczyliśmy, że wcalerosnąca liczba tranzystorów nie przekłada się już liniowo nawzrost wydajności czipu.

Uderzyliśmy bowiem nie w kres prawa Moore’a, lecz w kres tzw.prawa Amdahla – jeśli algorytmy mają części, których nie możnasparalelizować, to będą one wąskim gardłem całego procesu, irzucanie na nich więcej rdzeni niczego nie da. Nie w ilościtranzystorów jest tu problem, lecz w tym, że krzemowe tranzystorysą bardzo powolne, w porównaniu z tymi wykonanymi z arsenku galu. Wwielu zastosowaniach lepiej mieć bowiem jeden jednordzeniowyprocesor taktowany zegarem 1 THz, niż 250 czterordzeniowychprocesorów taktowanych zegarem 4 GHz.

Zanim jednak pojawią się procesory 3D, wcześniej jeszczezobaczyć mamy inne ciekawe konstrukcje. Eksperci SemiconductorIndustry Association przewidują porzucenie popularnych dziśtranzystorów FinFET, z „płetewką”, czyli kanałemkontrolującym przepływ napięcia. W tym roku firma imec jużpokazała następcę, tranzystor z dookólną bramką i bocznymipionowo ułożonymi krzemowymi nanowłóknami, o średnicy 8 nm.Odtąd tranzystory zaczną się przekształcać w pionowe struktrury,ich kanały staną się filarami z nanowłókien, pojawią się teżmateriały inne niż krzem. Do „komputerów ostatecznych”Stanisława Lema, których możliwości limitowane były przezfinalne ograniczenia fizyki (stałą Plancka, szybkość światła)wciąż bardzo daleka droga.