Nasze komputery są zbyt tanie, aby usprawiedliwić dalszą miniaturyzację

Każdy kto interesuje się elektroniką i komputerami zapewnekojarzy Prawo Moore’a, zgodnie z którym ekonomicznie optymalnaliczba tranzystorów w czipie podwaja się w równych odcinkachczasu. Sformułowana w 1965 roku przez założyciela firmy Intelzasada w ostatnich latach zaczęła zawodzić. Do tej pory napędzałają miniaturyzacja – stosowanie coraz mniejszych elementów wprodukcji czipów. Oczywiście zdawano sobie sprawę, że w pewnymmomencie dojdziemy do kresu możliwości dalszej miniaturyzacji, alekres ten wywodzono z fizyki, zakładając że do jego osiągnięciazostało jeszcze trochę czasu. Niestety, wygląda na to, że nadługo przed barierą wynikającą z fizyki, rozbiliśmy się obarierę wynikającą z ekonomii. Mówiąc dosadnie –przyzwyczailiśmy się do zbyt tanich komputerów.

Intel, wieloletni lider wyścigu miniaturyzacyjnego, stoi podścianą. Podczas prezentacji wyników za pierwszy kwartał tegoroku, firma z Santa Clara musiała ogłosić, że masowa produkcjamikroprocesorów w procesie 10 nm rozpocznie się dopiero w 2019roku, choć pierwotnie była planowana na 2018 rok. Intelowipozostaje dalej dłubanie w procesie 14 nm – kolejny krok wminiaturyzacji okazał się daleko trudniejszy, niż ktokolwiek sięspodziewał. Owszem, czipy 10 nm już powstają, ale w bardzoniewielkich ilościach. Pomimo starań inżynierów iwielomiliardowych inwestycji nie udało się zwiększyć produkcji doopłacalnego poziomu.

Próbując jakoś wytłumaczyć ten fatalny stan rzeczy,przedstawiciele Intela zwalili sprawę na litografię w ekstremalnymnadfiolecie (EUV), a raczej jej brak – proces 10 nm miał byćostatnim, który korzysta z tradycyjnej fotolitografii, gdzie źródłemświatła jest wciąż argonowy laser o długości fali 193 nm. By ztakiego światła uzyskać na krzemowym waflu odpowiednio małeelementy, konieczne jest wielokrotne naświetlanie (multi-patterning)przez maski o naprzemiennie umieszczonych szczegółach. Zwiększa toliczbę naświetleń wafla, a co za tym idzie, szansę na to, że cośpójdzie nie tak.

Nic więc dziwnego, że niemal wszystkie procesory Core 8.generacji wykonywane są wciąż w procesie 14 nm (czy też jak toIntel określa, 14 nm++, by podkreślić, że to i owo zostałoulepszone). Właściwie jedynym czipem 10 nm, jaki może trafić wręce zwykłych ludzi, jest obecnie Corei3-8121U, przeznaczony do laptopów dwurdzeniowy procesor o TDP15 W i taktowaniu 2,2-3,2 GHz. Szału nie ma. Co najciekawsze,zintegrowanej grafiki Intela też nie ma.

Czyli co, musimy przeczekać te ostatnie męczarnie z klasycznąfotolitografią, a potem gdy już litografia w ekstremalnymnadfiolecie stanie się codziennością fabrykacji, będziemy cieszyćsię czipami zrobionymi w procesach 7, 5, a nawet 3 nm? Tak by mogłosię wydawać ze slajdów nie tylko Intela, ale i jego konkurentów –Global Foundries, TSMC czy Samsunga. Wszyscy oni robią co mogą, bywprowadzić EUV do swoich fabryk, bo dla wszystkich jest jasne, żeinaczej już się nie da.

Tyle że wcale tak dobrze nie ma, EUV nie będzie cudownymlekarstwem na bolączki dalszej miniaturyzacji. Na łamachspecjalistycznego serwisu Semiconductor Engineering opublikowanyzostał artykułpt. Big Trouble at 3 nm. Ujawnia on problem niezwiązany zfizyką, który może pogrzebać na dobre prawo Moore’a. Po prostunikogo nie będzie stać na projektowanie bardziej zminiaturyzowanychczipów.

Tak jak rosła bowiem liczba tranzystorów w równych odcinkachczasu, tak też rosły koszty kolejnych etapów miniaturyzacji.Zaprojektowanie procesora w procesie 65 nm kosztowało „zaledwie”28,5 mln dolarów. Projekt czipu w procesie 22 nm, stosowanym np. w Core 4.generacji (Haswell), kosztował już ponad 70 mln dolarów. Cenazaprojektowania najtańszych procesorów w procesie 5 nm ma wynieśćokoło 500 mln dolarów. Najdroższych, takich jak zaawansowane GPU,ponad 1,5 mld dolarów.

Ile będzie kosztował czip w procesie 3 nm? Na pewno wielokrotniewięcej. Handel Jones, dyrektor wykonawczy firmy analitycznejInternational Business Strategies mówi, że opracowanie projektuczipu w procesie 3nm będzie kosztowało 4-5 mld dolarów, a za linięprodukcyjną zdolną produkować około 40 tys. wafli miesięcznietrzeba będzie zapłacić 15-20 mld dolarów.

Tak więc nawet jeśli producenci w teorii wiedzą, jak moglibywprowadzić na rynek nanoarkusze i nanowłókna krzemu, któremiałyby zastąpić „płetewkowe” tranzystory FinFET, to ludzieodpowiedzialni za ich finanse kompletnie nie wiedzą, skąd na towziąć pieniądze. Nie są też pewni, czy warto ich szukać. Jużnas tu dotknęło prawo malejących przychodów. E.S. Jung,wiceprezes fabów Samsunga tłumaczy: przed osiągnięciem 14 nmosiągaliśmy 30% wzrost stosunku ceny/wydajności względempoprzedniego szczebla. Od 14 nm do 10 nm wzrost tego parametru spadłdo trochę ponad 20%. Przy 3 nm w najlepszym razie będzie to wzrosto 20%.

Kto za to zapłaci, szczególnie w sytuacji, gdy sprzedażkomputerów spada, a marże producentów w warunkach znówbezlitosnej konkurencji coraz mniejsze? Analitycy przewidują, żemożemy zobaczyć już niebawem coś wcześniej niewyobrażalnego:zaprzestanie dalszego miniaturyzowania procesorów. Faby mogą wręczwrócić do starych procesów, ulepszając je dzięki nowym technikomprodukcji, uzyskując znacznie atrakcyjniejszy stosunek ceny domożliwości. Coś takiego ostatnio zrobiło Global Foundries,oferując klientom proces 22 nm, znacznie tańszy niż wcześniejoferowany 14 nm FinFET.

Można więc zaryzykować stwierdzenie, że jeśli te poniżej 10nm czipy stworzone w ekstremalnym nadfiolecie gdziekolwiek siępojawią, to na pewno nie w naszych domowych pecetach. Prędzej jużzobaczymy je w serwerach napędzających ogromne chmury obliczeniowe,coraz częściej wykorzystywane do uruchamiania sztucznejinteligencji i maszynowego uczenia. Tylko te szybko rosnące rynki,gdzie decydentów nie przeraża wyłożenie tysięcy dolarów naserwerowy czip, mogą usprawiedliwić nakłady finansowe na takzaawansowanych czipów projektowanie i produkcję.