Основные этапы развития электроники и микроэлектроникики

Более близкими и интересными косвенными следствиями закона Мура являются следующие: например, от поколения к поколению технологических процессов производства микросхем происходит двукратное уменьшение площади характерных элементов (например, одного транзистора) на кристалле, при этом линейные размеры уменьшаются на 30%.

 

А сама смена поколений техпроцессов (по крайней мере, у Intel, но конкуренты также близки к этому графику) с завидным постоянством (уже почти 20 лет) происходит раз в два года

 

и будет происходить теми же темпами в ближайшем будущем.

 

Причём если технологические нормы (то есть минимальная толщина «рисуемой» линии на кристалле) продолжают следовать этому «закону Мура», «уполовиниваясь» каждые 4 года, то реальные физические размеры некоторых важных элементов (например, эффективная длина затвора транзисторов) в последние годы уменьшается даже быстрее по причине перехода к нанотехнологиям и размерам элементов менее 100 нм.

 

И чем дальше, тем больше это будет заметно.

Другим важным и фундаментальным следствием закона Мура, которое сформулировал сам Гордон Мур еще в той знаменитой статье 1965 года,

 

является экспоненциальное уменьшение стоимости одного транзистора на кристаллах массовых микросхем.

 

А особенно это стало заметно после перехода на 90-нм технологию и пластины диаметром 300 мм (см. следующий слайд). Фактически, этот переход привел к более чем 50-процентному снижению себестоимости одного транзистора за год!

 

И сейчас себестоимость производства транзисторов в микросхемах упала до такой степени, что теперь один транзистор обходится примерно во столько же, сколько стоит напечатать любой типографский знак в газете – например, запятую.

В соответствии с «законом Мура» (точнее, с сопутствующими ему закономерностями) в мире возрастает и количество производимых транзисторов.

 

Так, в 2003 году Гордон Мур подсчитал, что количество транзисторов, ежегодно поставляемых на рынок в мире, достигло 10.000.000.000.000.000.000 (1019). Это в сто раз больше, чем количество муравьев на Земле. А что же будет по итогам 2005 года, если ежегодный прирост составляет более 55%?..

На чём же основан закон Мура, и почему столь незатейливая формулировка закона развития микроэлектроники вот уже сорок лет на все лады цитируется авторитетными персонами? Почему закон Мура стал настолько универсальным, что его пытаются использовать для многих других сегментов ИТ-рынка: для роста сети Интернет и пропускной способности каналов связи, для предсказания увеличения ёмкости и плотности записи в жёстких дисках и многого другого? Сам Мур как-то сказал, что не знает, в чём природа этой закономерности, но очевидно, что она отражает тенденции экспоненциального развития ряда явлений в современном мире. Обнаруживая действие закона Мура во всё новых сферах высоких технологий, мы лишь подтверждаем наличие постоянного, очень быстрого прогресса технологий, а значит, и всей мировой экономики. А сам закон Мура стал популярен потому, что в на редкость простой, доступной пониманию каждого форме определяет фантастические, пока недоступные ни одной другой отрасли экономики, темпы развития полупроводниковой индустрии. Ведь если бы, например, авиаиндустрия развивалась в соответствии с законом Мура, то сегодня перелёт по маршруту Нью-Йорк-Париж, который в 1978 году стоил около 900 долларов и длился 7 часов, обошелся всего в цент и занял бы менее одной секунды!

Закон Мура стал синонимом технологической эволюции и последовательных шагов, которые ИТ-индустрия проходит, чтобы раскрыть нам новые возможности жить и работать, новые модели использования инфраструктуры, создать саму новую инфраструктуру для жизни и экономического роста. «Закон Мура – основной лейтмотив нашей деятельности в области конвергенции вычислительных и коммуникационных возможностей, – заявил глава корпорации Intel Крейг Барретт, открывая весенний (этого года) Форум Intel для разработчиков. – Приверженность корпорации Intel закону Мура позволяет нам создавать интегрированные платформы, которые предоставляют широкий диапазон возможностей для отдельных людей и организаций, использующих эти технологии.».

Новый смысл закону Мура может придать «расширение» его действия на смежные отрасли. Этим, в частности, занимаются и в Intel. На одном из недавних Форумов Intel для разработчиков Патрик Гелсингер, тогда ещё главный технический директор корпорации Intel, 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». Среди них – биология, медицина, сельское хозяйство, оптика, беспроводные коммуникации и прочее.

 

К сожалению, другие отрасли мировой экономики заметно уступают информационным технологиям по темпам своего развития. Но фактически, вся мировая экономика, которая уже просто немыслима без вычислительной техники, сейчас зиждется на стремительном росте полупроводниковой промышленности. Поэтому некоторые аналитики даже предсказывают, что «конец эпохи закона Мура» (то есть когда микросхемы перестанут развиваться столь быстрыми темпами в силу ряда фундаментальных физических ограничений) приведёт к новой Великой депрессии, до самых основ потрясшей американскую экономику в тридцатые годы прошлого века.

К счастью, несмотря на то, что за прошедшие годы скептики многократно предсказывали закону Мура скорую кончину, ученые и инженеры (в том числе, корпорации Intel) своими открытиями и упорным трудом снова и снова подтверждали провидческий дар и безупречность выводов одного из отцов-основателей корпорации. И каждый раз сдвигали «кончину» закона Мура далеко в будущее. Как же обстоят дела сейчас? Ведь современная технология уже почти вплотную подошла к атомарным пределам для традиционной кремниевой технологии производства микросхем.

 

И скептики вовсю горланят о конце «золотого века» микроэлектроники: «наступают» утечки, высокое тепловыделение кристаллов, сложности с повышением частоты работы микропроцессоров, состоящих из миллиарда транзисторов, «разбросанных» по большой площади кристалла и прочее.

На последнем Форуме Intel для разработчиков Паоло Джарджини, директор по технологической стратегии корпорации Intel, подтвердил, что закон Мура продолжает действовать, и что в полном соответствии с ним корпорация Intel продолжает вводить новые технологические процессы каждые два года (см. рисунок выше). А залогом успешной деятельности Intel на этом направлении служат ежегодные многомиллиардные вложения корпорации в научно-исследовательские разработки, постоянную модернизацию и расширение своих производственных мощностей. Достаточно сказать, что в 2005 году Intel планирует израсходовать на эти цели более 10 миллиардов долларов!

В доказательство потенциала закона Мура для современной кремниевой технологии можно привести успешные работы Intel (и некоторых других ведущих мировых компаний) по разработке и внедрению более «тонких» технологических процессов производства микросхем, работы по которым идут полным ходом, и где уже видны некоторые успехи.

 

Например, производство памяти и процессоров по технологии 65 нанометров уже почти отлажено и начнётся в этом году, на 2007-й намечен переход на 45-нанометровый процесс, на 2009 год – внедрение 32-нанометрового, а в 2011 году настанет черёд технологического процесса 22 нм. Причём в корпорации Intel уже есть конкретные научно-технические разработки, которые позволяют реализовать все эти планы.

Но что ожидается после 2011 года? Продолжит ли закон Мура действовать позднее, и если да, что этому будет способствовать? Неужели станет возможным создание транзисторов по технологиям 16, 11 и 8 нм с длинами затворов транзисторов 7, 5 и 3 нм соответственно?

 

Если предыдущее (вплоть до 22 нм) развитие отрасли кремниевой технологии производства микросхем можно назвать эволюционным, то ниже 22 нм потребуются принципиально новые, инновационные решения. Среди путей дальнейшего развития КМОП-технологии в соответствии с законом Мура рассматриваются как применение эквивалентного масштабирования размеров элементов вместо традиционного геометрического, так и поиск новых типов кремниевых приборов (например, трехзатворных и даже «круглых» транзисторов). А кроме того, важную роль могут сыграть решения по повышению степени интеграции элементов на кристаллах – те же многоядерные системы, трехмерные многослойные микросхемы и прочее.

 

Еще более кардинальными выглядят попытки создания принципиально новых наноструктур. Альтернативными кремнию материалами здесь могут послужить как структуры на основе соединений III и V групп таблицы Менделеева (например, InSb), обладающие уникально высокой подвижностью электронов, так и углеродные или кремниевые нанотрубки, способные выступать в качестве как проводников, так и полупроводников.

 

Транзисторы, изготовленные из таких материалов, имеют сопоставимые размеры – единицы нанометров (например, диаметр углеродных нанотрубок – 1-2 нм). Однако, по утверждению Паоло Джарджини: «Экзотические структуры, такие как углеродные нанотрубки, могут найти применение в КМОП технологии не столько для ускорения темпов миниатюризации, сколько для повышения производительности устройств или, возможно, упрощения их изготовления. 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».

 

Вплоть до 2020 года Intel cможет создавать транзисторы по современной схеме работы – с электродами и затвором между ними. К тому времени, однако, размеры всех элементов транзистора достигнут атомарных размеров, и уменьшать их дальше будет просто невозможно.

 

Следовательно, уже сейчас необходимо искать новые подходы. Один из них – организация передачи сигнала на уровне элементарных частиц, путём спиновых волн. В лабораториях Intel уже сейчас разрабатываются идеи, которые будут воплощены в чипах только лет через десять. 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».

Таким образом, уже на протяжении сорока лет развитие микроэлектроники служит главной движущей силой всемирной технологической революции, принеся радикальные позитивные перемены в жизни миллиардов людей. Практическая деятельность Intel и других микроэлектронных гигантов и научных центров не только продлевает жизнь закону Мура, но и распространяет его действие на самые разные сферы. Микропроцессоры становятся вездесущими, а достижения высоких технологий — максимально демократичными. Закон Мура открыл и продолжает открывать новый, удивительно увлекательный и разнообразный цифровой мир. «Честно говоря, я часто спрашивал себя, когда же закончится действие закона Мура, как долго мы ещё сможем пользоваться его плодами? – отметил в одном из своих выступлений Патрик Гелсингер. – В 1980 году, когда я пришел в Intel, мы ломали голову над тем, как достичь технологической нормы производства микропроцессоров в 1 микрон. В девяностые годы перед нами встала задача внедрить технологическую норму в одну десятую микрона, и опять она казалась нам недостижимой. А сегодня мы думаем о том, как преодолеть барьер в одну сотую микрона. Могу пообещать вам, что до моей пенсии, то есть в течение ещё двадцати пяти лет, закон Мура будет действовать. Уверен, что ещё не одно десятилетие он будет руководящим принципом развития отрасли».

 

 

Заключение

Наука и техника не стоит на месте, одна из основных задач перед учёными - разработать искусственный интеллект, который будет помогать человечеству в повседневной жизни, для этого нужно быстродействующие вычислительные машины.

По мере развития нанотехнологии, а именно уменьшению её компонентов, вычислительные машины становятся совершеннее, и как следствие этому -совершенный искусственный интеллект становится к нам ближе.