eng
Выпуск #6/2015
В.Вернер, Е.Кузнецов, А.Сауров
Закону Мура 50 лет: завершение или изменение?
Закону Мура 50 лет: завершение или изменение?
Просмотры: 5208
В третьей части статьи анализируется восприятие отраслевым сообществом закона Мура в прошлом, настоящем и будущем.
DOI:10.22184/1993-8578.2015.60.6.50.62
DOI:10.22184/1993-8578.2015.60.6.50.62
Теги: dennard’s law integrated circuits microelectronics microprocessor moore’s law закона деннарда закон мура интегральная схема микропроцессор микроэлектроника
Вновь вернемся к закону Мура, но уже с точки зрения наметившихся отклонений, которые могут привести к отрицанию его влияния на развитие микро-наноэлектроники. Первым звонком стала необходимость ограничения удельной мощности, рассеиваемой единицей площади ИС микропроцессоров (МП), которая достигла значений, характерных для бытовой электрокомфорки. В результате эквивалентного масштабирования при проектировании были установлены ограничения на размеры кристаллов бытовых и высокопроизводительных МП, а удвоение степени интеграции стало происходить уже не за два, а за три года (рис.1).
Как уже отмечалось, на уровне транзистора потребляемая мощность связана с быстродействием и напряжением питания Vdd. При геометрическом масштабировании эти величины должны подчиняться закону Деннарда – принципу согласованного изменения размеров элементов и характеристик транзистора в рамках закона Мура. Но на практике оказалось, что они достигли насыщения, что, в частности, было отмечено в выступлении директора МТО DARPA Б.Колвелла (Bob Colwell) на конференции в марте 2013 года [1]. Наибольшее внимание при этом было обращено на приближение Vdd к ассимтотическому пределу при критических размерах менее 45 нм. Таким образом, дальнейшее масштабирование реально происходит при постоянной величине напряжения, в связи с чем делается вывод о прекращении действия закона Деннарда.
По мнению В.Колвелла [1] закон Деннарда прекратил действовать в 2005 году, но закон Мура продолжает действовать и в настоящее время в качественной форме: "Лучше, дешевле, быстрее" (Better, cheaper, faster). После 2020 года закон Мура в его различных формах должен быть заменен "Законом специализации и зачистки" (Post-Moore’s Law specialization & cleanup), этот период характеризуется быстрым ростом тепловых ограничений для структур ИС и издержек их производства. После 2030 года возможно наступление новой электроники на базе фундаментальных законов физики (рис.2). Однако ряд ведущих фирм ищут новую электронику в микробиологии, считая, что новым "железом" после полупроводников станут вирусы и бактерии, а новой операционной системой будет ДНК [2]. Но даже на уровне молекулярных структур перспективы пока не ясны.
Закон Мура был законом стимулирования развития микроэлектроники, где главный стимул – постоянное снижение цены транзистора в ИС – перестал действовать в период освоения ИС с характеристическим размером 28 нм (рис.3) [3].
Дальнейший переход к меньшим характеристическим размерам (вплоть до 7–5 нм) делает производство все более дорогим, а цикл смены характеристических размеров все более длительным [4]. Тенденции изменения характеристических размеров были рассмотрены в ITRS-2013 (рис.4) [5].
Приводимые в различных аналитических материалах данные свидетельствуют о том, что, по крайней мере, внутри отдельной фирмы минимальные размеры меняются через 2 года в соответствии с дорожными картами изменений характеристических размеров (N-node).
Отклонение от тенденции снижения цены по закону Мура при повышении степени интеграции происходит из-за увеличения стоимости производства. В [6] это связывают с ростом затрат на проектирование шаблонов. Если для 90 нм проектирование и использование маски обходилось в 1 млн. долл., то для 65 нм – уже в 3–4 млн. долл. причем для этих норм было необходимо 1–2 маски на каждый физический слой. После достижения 28 нм традиционный метод экспонирования неприменим. При 28 нм формирование рисунка требует трех процессов, при 14/16 нм необходимо двухкратное формирование рисунка и 8 процессов, при 10 нм – трехкратное формирование рисунка и 21 процесс [7].
Трудности развития проектирования и технологии производства изделий микроэлектроники новых поколений вызывают попытки как-то сформулировать общие тенденции. В частности, это проявилось в использовании при обсуждении развития микроэлектроники и технологии ИС математического термина "точка перегиба" (inflection point), как символа отклонения от закономерностей классического периода действия закона Мура. В зависимости от области обсуждения в качестве "точки перегиба" могут быть названы разные факторы, – например, рассмотренные в настоящей статье изменения временных законов развития микроэлектроники. В определенной мере сама оценка значимости закона Мура может рассматриваться как "точка перегиба".
Закон Мура стал энциклопедической категорией. Дебаты вокруг него ведутся с момента его появления, то есть 50 лет. При этом существует две крайности. Согласно первой из них, закон Мура отражает факт, что для каждой технологии есть вполне определенный уровень сложности (например, число транзисторов на кристалле ИС), при которой цена компонента ИС – минимальна. По второй из них закон Мура – это просто маркетинговая стратегия последовательного удовлетворения растущего в определенном темпе потребительского спроса. Более быстрое продвижение технологий якобы возможно, но не выгодно [8], то есть можно говорить о негласном сговоре производителей.
На самом деле сила закона Мура заключается в его объективном отражении возможностей технологии на прогнозируемый период времени. Эти возможности, прежде всего, определяются темпом снижения размеров элементов ИС. Недаром известная триада развития микроэлектроники – "меньше, быстрее, дешевле" – начинается с размерной характеристики. В классическом варианте закона Мура темпы изменений составляющих триады были согласованы. В настоящее время это согласование нарушается, что и дает повод считать закон Мура прекратившим свое действие. Но качественные характеристики –"меньше", "быстрее" и даже "дешевле" как тенденции продолжают действовать. Это позволяет считать, что и закон Мура тоже продолжает действовать.
Таким образом, оценка ситуации лежит в диапазоне от "он продолжается" через "он выполняется частично" до "он прекратился". За второй вариант оценки выступает, например, автор [9], который утверждает, что если закон Мура и прекратил свое действие, то не по техническим, а по экономическим причинам. Это разделение закона Мура на экономическую и техническую составляющие весьма существенно. Наибольшие сомнения из них вызывает именно экономическая, которую рассматривают как основное содержание закона Мура. Как раз с этих позиций выступал автор [10] и нескольких блогов с тем же названием, считая, что закон Мура завершился при характеристических размерах 28 нм. Но живучесть технологии 28 нм заставила его изменить точку зрения, признав сохранение закона Мура для 28 нм, а общая тенденция была им охарактеризована с использованием термина "бифуркация" [11].
В статье [12] приведена интересная статистика мнений о жизненности закона Мура (к сожалению, без ссылок на первоисточники): 24,8% считают, что действие закона уже прекратилось или будет прекращено при нормах 7 нм; 34,7% считают, что действие закона Мура сохраняется для производства ИС на базе FD SOI или FinFET; 14,4% связывают продление действия закона с использованием 3D-структур и 12,5% – графена; 13,6% предполагают, что действие закона никогда не прекратится. Обсуждение судьбы закона Мура обусловлено его важностью для информационного общества [13].
Закон Мура не был внутренним регламентом для микроэлектроники, многочисленные потребители также ориентировались на него. Прекращение действия закона вызвало опасения дальнейшего роста цены ИС в связи с трудностями кремниевой технологии. Отраслевое сообщество старается развеять эти сомнения. Ключом для дальнейшего развития электроники в духе закона Мура будут новые технологии, новые материалы в новых приборах (например, GaAs), обновленные формы производства и научных исследований.
Попробуем несколько формализовать ситуацию с законом Мура. Важнейшей характеристикой ИС является степень интеграции при определенности ее связи с конструкционными размерами (линейными размерами элементов, площадями ячейки, транзистора, кристалла) и определенности их связи с параметрами функциональности (например, быстродействием) и ее обеспечения (например, мощностью). В свою очередь, одной из важнейших характеристик степени интеграции является темп ее повышения при определенности времени изменений конструкционных размеров и характеристик функциональности. Закон Мура вводил указанные определенности, но в настоящее время они частично нарушены или изменены, поэтому закон частично не выполняется.
Следует отметить, что в блоге [14] приводится достаточно полная цитата из статьи Мура в журнале "Electronis" 1965 года. Из нее следует, что сам Мур рассматривал свой закон как экстраполяцию прошлого опыта производства на конечный временной интервал, например, 10 лет. В действительности срок действия закона Мура оказался существенно больше. Влияние закона на развитие микроэлектроники многообразно. В частности, оно связано с повышением степени интеграции и уменьшением характеристического размера, которые продолжают действовать.
В завершение отметим несколько работ, в которых обсуждают проблемы, связанные с законом Мура и общей ситуацией в микроэлектронной промышленности. Прежде всего, это серия из четырех блогов под общим заголовком: "Закон Мура скончался?" (Moore’s Law is Dead?) [15–17]. В [15] отмечается, что по существу закон Мура информирует экосистему потребителей чипов о тренде масштабирования ИС для планирования их бизнеса. Отмечается, что в оригинальной концепции закона (1965 и 1975 годов) не обсуждается цена, быстродействие, потребляемая мощность или надежность. Речь идет только о периодическом увеличении числа компонентов в кристалле за счет увеличения площади кристалла, уменьшения размеров элементов и улучшения проектирования. В период расцвета микроэлектроники это означало, что в каждой новой генерации чипов больше компонентов, выше быстродействие и меньше цена компонента. В настоящее время число компонентов продолжает расти, но при этом уже не достигается одновременное уменьшение размеров, увеличение быстродействия и снижение стоимости компонента ИС.
Закон Мура продолжает действовать, но уже не обеспечивает общее экспоненциальное развитие, поэтому и возникла дискуссия о его конце. В [16] отмечается, что рост стоимости процессов литографии вызывает замедление процессов перехода к новым характеристическим размерам. Многократная литография после 45 нм на основе источников 193 нм подходит к своему экономическому пределу, хотя технически непреодолимых препятствий нет.
Сочетание технологических и экономических проблем приводит к реальным ограничениям экспоненциального роста микроэлектронного рынка. Возможно, они могут быть сняты за счет инноваций в создании новых типов ключей.
В [17] указывается, что закон Мура просто подчеркивал тенденцию постоянного улучшения характеристик ИС. В 1997 году Мур отметил, что двигателем промышленности является низкая стоимость изделия, которая делает его распространенным. При одинаковом числе транзисторов можно повышать функциональность и расширять области применения ИС. Новая генерация ИС может быть или быстрее, или меньше по размерам элементов, или функциональней, или дешевле. Общий вывод: новая генерация коммерческих ИС должна быть лучше. Собственно, на это и был нацелен закон Мура. Сам Мур признает, что название его формулировок временных тенденций развития микроэлектроники законом и долговечность последнего были для него неожиданными [18].
Масштабирование в микроэлектронике продолжается за счет инноваций в области процессов, материалов и проектирования. С 1980 года по настоящее время цена транзистора в ИС снизилась на шесть порядков, и на семь порядков вырос рынок приложений ИС с этими транзисторами [19].
Общее удорожание на всех этапах производства ИС (рис.5), конечно, замедлило темп развития полупроводниковой электроники, но оно продолжается вместе с продолжением масштабирования: 14/16 нм, 10 нм, 7 нм и далее 5 нм. При этом масштабирование на уровне приборов дополняется масштабированием на уровне систем [21], создается определенное подобие "виртуальной IBM" (virtual IBM’s) с масштабированием от проектирования, изготовления и до корпусирования ИС. Масштабирование часто связывают с законом Мура как основным фактором развития микроэлектроники.
Закон Мура стал символом развития микроэлектроники. Без электроники невозможно развитие современного "умного" общества. На рис.6 мы иллюстрируем этапы развития закона Мура как отражения развития электроники.
В качестве заключения отметим некоторые тенденции в развитии современной микроэлектроники:
• Продолжение 2D-масштабирования при характеристических размерах 20/16/14 нм, а в будущем – 10/7/5 нм.
• Продолжение производства ИС с характеристическими размерами ≥ 28 нм.
• Улучшение параметров ИС в триаде 3p (power, perfomance, price) – мощность, быстродействие, цена.
• Использование транзисторов с полным обеднением и противостояние FinFET и FDSOI.
• Развитие 3D ИС и 3D траектории масштабирования.
• Бурное развитие домена "Другое чем Мур".
• Относительно медленное развитие домена "Вне КМОП".
• Акцент на переоснащение, а не увеличение производственных мощностей.
• Подготовка новых технологий для снижения стоимости обработанной пластины, включая EUV-литографию и пластины диаметром 450 мм.
• Обсуждение закона Мура при поиске путей дальнейшего развития микроэлектроники.
• Использование значительного числа новых материалов для вновь разрабатываемых и уже выпускаемых типов приборов.
• Ускорение воздействия требований заказчиков и конечных потребителей на разработку новых типов приборов, например, для носимой и потребительской техники.
• Переход к новой структуре изданий ITRS – ITRS 2.0.
ЛИТЕРАТУРА
1. Colwell B. EDA at the End of Moore’s Law. – www.darpa.mil, 2013.
2. Intel, Microsoft и Autodesk ищут новую электронику в микробиологии. – http://www.russianelectronics.ru/leader-r/news/51820/doc/71646.
3. Singer P. IEDM: Nanoelectronics provide a path beyond CMOS/ – http://electroiq.com/blog/2012/12/iedm-nanoelectronics-provide-a-path-beyond-cmos.
4. Stroh I. IEDM 2013: Bei 7 nm wird’s zu teuer // http://www.elektroniknet.de/halbleiter/sonstiges/artikel/104096.
5. ITRS-2013, P.23.
6. Martin B. Are We At an Inflection Point with Silicon Scaling and Homogeneous ICs? – http://semimd.com/blog/2014/10/15/are-we-at-an-inflection-point-with-silicon-scaling-and-homogeneous-ics.
7. Dorsch J. Changes and Challenges Abound in Multi-patterning Lithography. – http://semimd.com/blog/2015/01/26/changes-and-challenges-abound-in-multi-patterning-lithography.
8. Закон Мура – закон или маркетинговая стратегия? – 14.05.2012.
9. Davis S. At The ConFab 2014: Do we still need Moore’s Law? – http://electroiq.com/blog/2014/06/at-the-confab-2014-do-we-still-need-moores-law.
10. Zvi Or-Bach. Are we using Moore’s name in vain? – http://electroiq.com/blog/2013/11/are-we-using-moores-name-in-vain.
11. Zvi Or-Bach. Moore’s law to keep on 28 nm. – http://electroiq.com/blog/2015/05/moores-law-to-keep-on-28 nm.
12. Макушин М. Домасштабировались? Экономика уменьшения топологий // Электроника. Наука. Технология. Бизнес. 2014. № 3 (00134). С. 134–147.
13. Закон масштабирования Деннарда // Открытые системы. 2012. № 2.
14. Davis S. ConFab panelists discuss optimizing R&D in the changing semi landscape. – http://electroiq.com/blog/2014/06/confab-panelists-discuss-optimizing-r-d-in-the-changing-semi-landscape.
15. Moore’s Law is Dead – (Part 1) What? – http://electroiq.com/eds-threads/2014/07/02/moores-law-is-dead-part-1-what.
16. Moore’s Law is Dead – (Part 2) When? – http://electroiq.com/eds-threads/2014/07/10/moores-law-is-dead-part-2-when.
17. Moore’s Law is Dead – (Part 4) Why? – http://semimd.com/eds-threads/2014/07/23/moores-law-is-dead-part-4-why.
18. Takahashi D. Intel’s Gordon Moore speculates on the future of tech and the end of Moore’s Law. – http://venturebeat.com/2015/05/11/intels-gordon-moore-speculates-on-the-future-and-the-end-of-moores-law.
19. Can we take cost out of technology scaling? – http://electroiq.com/petes-posts/2014/07/14/can-we-take-cost-out-of-technology-scaling.
20. http://electroiq.com/wp-content/uploads/2014/07/2.png.
21. Dorsch J. The End of Scaling? – http://electroiq.com/mysemicondaily/2014/07/09/the-end-of-scaling.
Как уже отмечалось, на уровне транзистора потребляемая мощность связана с быстродействием и напряжением питания Vdd. При геометрическом масштабировании эти величины должны подчиняться закону Деннарда – принципу согласованного изменения размеров элементов и характеристик транзистора в рамках закона Мура. Но на практике оказалось, что они достигли насыщения, что, в частности, было отмечено в выступлении директора МТО DARPA Б.Колвелла (Bob Colwell) на конференции в марте 2013 года [1]. Наибольшее внимание при этом было обращено на приближение Vdd к ассимтотическому пределу при критических размерах менее 45 нм. Таким образом, дальнейшее масштабирование реально происходит при постоянной величине напряжения, в связи с чем делается вывод о прекращении действия закона Деннарда.
По мнению В.Колвелла [1] закон Деннарда прекратил действовать в 2005 году, но закон Мура продолжает действовать и в настоящее время в качественной форме: "Лучше, дешевле, быстрее" (Better, cheaper, faster). После 2020 года закон Мура в его различных формах должен быть заменен "Законом специализации и зачистки" (Post-Moore’s Law specialization & cleanup), этот период характеризуется быстрым ростом тепловых ограничений для структур ИС и издержек их производства. После 2030 года возможно наступление новой электроники на базе фундаментальных законов физики (рис.2). Однако ряд ведущих фирм ищут новую электронику в микробиологии, считая, что новым "железом" после полупроводников станут вирусы и бактерии, а новой операционной системой будет ДНК [2]. Но даже на уровне молекулярных структур перспективы пока не ясны.
Закон Мура был законом стимулирования развития микроэлектроники, где главный стимул – постоянное снижение цены транзистора в ИС – перестал действовать в период освоения ИС с характеристическим размером 28 нм (рис.3) [3].
Дальнейший переход к меньшим характеристическим размерам (вплоть до 7–5 нм) делает производство все более дорогим, а цикл смены характеристических размеров все более длительным [4]. Тенденции изменения характеристических размеров были рассмотрены в ITRS-2013 (рис.4) [5].
Приводимые в различных аналитических материалах данные свидетельствуют о том, что, по крайней мере, внутри отдельной фирмы минимальные размеры меняются через 2 года в соответствии с дорожными картами изменений характеристических размеров (N-node).
Отклонение от тенденции снижения цены по закону Мура при повышении степени интеграции происходит из-за увеличения стоимости производства. В [6] это связывают с ростом затрат на проектирование шаблонов. Если для 90 нм проектирование и использование маски обходилось в 1 млн. долл., то для 65 нм – уже в 3–4 млн. долл. причем для этих норм было необходимо 1–2 маски на каждый физический слой. После достижения 28 нм традиционный метод экспонирования неприменим. При 28 нм формирование рисунка требует трех процессов, при 14/16 нм необходимо двухкратное формирование рисунка и 8 процессов, при 10 нм – трехкратное формирование рисунка и 21 процесс [7].
Трудности развития проектирования и технологии производства изделий микроэлектроники новых поколений вызывают попытки как-то сформулировать общие тенденции. В частности, это проявилось в использовании при обсуждении развития микроэлектроники и технологии ИС математического термина "точка перегиба" (inflection point), как символа отклонения от закономерностей классического периода действия закона Мура. В зависимости от области обсуждения в качестве "точки перегиба" могут быть названы разные факторы, – например, рассмотренные в настоящей статье изменения временных законов развития микроэлектроники. В определенной мере сама оценка значимости закона Мура может рассматриваться как "точка перегиба".
Закон Мура стал энциклопедической категорией. Дебаты вокруг него ведутся с момента его появления, то есть 50 лет. При этом существует две крайности. Согласно первой из них, закон Мура отражает факт, что для каждой технологии есть вполне определенный уровень сложности (например, число транзисторов на кристалле ИС), при которой цена компонента ИС – минимальна. По второй из них закон Мура – это просто маркетинговая стратегия последовательного удовлетворения растущего в определенном темпе потребительского спроса. Более быстрое продвижение технологий якобы возможно, но не выгодно [8], то есть можно говорить о негласном сговоре производителей.
На самом деле сила закона Мура заключается в его объективном отражении возможностей технологии на прогнозируемый период времени. Эти возможности, прежде всего, определяются темпом снижения размеров элементов ИС. Недаром известная триада развития микроэлектроники – "меньше, быстрее, дешевле" – начинается с размерной характеристики. В классическом варианте закона Мура темпы изменений составляющих триады были согласованы. В настоящее время это согласование нарушается, что и дает повод считать закон Мура прекратившим свое действие. Но качественные характеристики –"меньше", "быстрее" и даже "дешевле" как тенденции продолжают действовать. Это позволяет считать, что и закон Мура тоже продолжает действовать.
Таким образом, оценка ситуации лежит в диапазоне от "он продолжается" через "он выполняется частично" до "он прекратился". За второй вариант оценки выступает, например, автор [9], который утверждает, что если закон Мура и прекратил свое действие, то не по техническим, а по экономическим причинам. Это разделение закона Мура на экономическую и техническую составляющие весьма существенно. Наибольшие сомнения из них вызывает именно экономическая, которую рассматривают как основное содержание закона Мура. Как раз с этих позиций выступал автор [10] и нескольких блогов с тем же названием, считая, что закон Мура завершился при характеристических размерах 28 нм. Но живучесть технологии 28 нм заставила его изменить точку зрения, признав сохранение закона Мура для 28 нм, а общая тенденция была им охарактеризована с использованием термина "бифуркация" [11].
В статье [12] приведена интересная статистика мнений о жизненности закона Мура (к сожалению, без ссылок на первоисточники): 24,8% считают, что действие закона уже прекратилось или будет прекращено при нормах 7 нм; 34,7% считают, что действие закона Мура сохраняется для производства ИС на базе FD SOI или FinFET; 14,4% связывают продление действия закона с использованием 3D-структур и 12,5% – графена; 13,6% предполагают, что действие закона никогда не прекратится. Обсуждение судьбы закона Мура обусловлено его важностью для информационного общества [13].
Закон Мура не был внутренним регламентом для микроэлектроники, многочисленные потребители также ориентировались на него. Прекращение действия закона вызвало опасения дальнейшего роста цены ИС в связи с трудностями кремниевой технологии. Отраслевое сообщество старается развеять эти сомнения. Ключом для дальнейшего развития электроники в духе закона Мура будут новые технологии, новые материалы в новых приборах (например, GaAs), обновленные формы производства и научных исследований.
Попробуем несколько формализовать ситуацию с законом Мура. Важнейшей характеристикой ИС является степень интеграции при определенности ее связи с конструкционными размерами (линейными размерами элементов, площадями ячейки, транзистора, кристалла) и определенности их связи с параметрами функциональности (например, быстродействием) и ее обеспечения (например, мощностью). В свою очередь, одной из важнейших характеристик степени интеграции является темп ее повышения при определенности времени изменений конструкционных размеров и характеристик функциональности. Закон Мура вводил указанные определенности, но в настоящее время они частично нарушены или изменены, поэтому закон частично не выполняется.
Следует отметить, что в блоге [14] приводится достаточно полная цитата из статьи Мура в журнале "Electronis" 1965 года. Из нее следует, что сам Мур рассматривал свой закон как экстраполяцию прошлого опыта производства на конечный временной интервал, например, 10 лет. В действительности срок действия закона Мура оказался существенно больше. Влияние закона на развитие микроэлектроники многообразно. В частности, оно связано с повышением степени интеграции и уменьшением характеристического размера, которые продолжают действовать.
В завершение отметим несколько работ, в которых обсуждают проблемы, связанные с законом Мура и общей ситуацией в микроэлектронной промышленности. Прежде всего, это серия из четырех блогов под общим заголовком: "Закон Мура скончался?" (Moore’s Law is Dead?) [15–17]. В [15] отмечается, что по существу закон Мура информирует экосистему потребителей чипов о тренде масштабирования ИС для планирования их бизнеса. Отмечается, что в оригинальной концепции закона (1965 и 1975 годов) не обсуждается цена, быстродействие, потребляемая мощность или надежность. Речь идет только о периодическом увеличении числа компонентов в кристалле за счет увеличения площади кристалла, уменьшения размеров элементов и улучшения проектирования. В период расцвета микроэлектроники это означало, что в каждой новой генерации чипов больше компонентов, выше быстродействие и меньше цена компонента. В настоящее время число компонентов продолжает расти, но при этом уже не достигается одновременное уменьшение размеров, увеличение быстродействия и снижение стоимости компонента ИС.
Закон Мура продолжает действовать, но уже не обеспечивает общее экспоненциальное развитие, поэтому и возникла дискуссия о его конце. В [16] отмечается, что рост стоимости процессов литографии вызывает замедление процессов перехода к новым характеристическим размерам. Многократная литография после 45 нм на основе источников 193 нм подходит к своему экономическому пределу, хотя технически непреодолимых препятствий нет.
Сочетание технологических и экономических проблем приводит к реальным ограничениям экспоненциального роста микроэлектронного рынка. Возможно, они могут быть сняты за счет инноваций в создании новых типов ключей.
В [17] указывается, что закон Мура просто подчеркивал тенденцию постоянного улучшения характеристик ИС. В 1997 году Мур отметил, что двигателем промышленности является низкая стоимость изделия, которая делает его распространенным. При одинаковом числе транзисторов можно повышать функциональность и расширять области применения ИС. Новая генерация ИС может быть или быстрее, или меньше по размерам элементов, или функциональней, или дешевле. Общий вывод: новая генерация коммерческих ИС должна быть лучше. Собственно, на это и был нацелен закон Мура. Сам Мур признает, что название его формулировок временных тенденций развития микроэлектроники законом и долговечность последнего были для него неожиданными [18].
Масштабирование в микроэлектронике продолжается за счет инноваций в области процессов, материалов и проектирования. С 1980 года по настоящее время цена транзистора в ИС снизилась на шесть порядков, и на семь порядков вырос рынок приложений ИС с этими транзисторами [19].
Общее удорожание на всех этапах производства ИС (рис.5), конечно, замедлило темп развития полупроводниковой электроники, но оно продолжается вместе с продолжением масштабирования: 14/16 нм, 10 нм, 7 нм и далее 5 нм. При этом масштабирование на уровне приборов дополняется масштабированием на уровне систем [21], создается определенное подобие "виртуальной IBM" (virtual IBM’s) с масштабированием от проектирования, изготовления и до корпусирования ИС. Масштабирование часто связывают с законом Мура как основным фактором развития микроэлектроники.
Закон Мура стал символом развития микроэлектроники. Без электроники невозможно развитие современного "умного" общества. На рис.6 мы иллюстрируем этапы развития закона Мура как отражения развития электроники.
В качестве заключения отметим некоторые тенденции в развитии современной микроэлектроники:
• Продолжение 2D-масштабирования при характеристических размерах 20/16/14 нм, а в будущем – 10/7/5 нм.
• Продолжение производства ИС с характеристическими размерами ≥ 28 нм.
• Улучшение параметров ИС в триаде 3p (power, perfomance, price) – мощность, быстродействие, цена.
• Использование транзисторов с полным обеднением и противостояние FinFET и FDSOI.
• Развитие 3D ИС и 3D траектории масштабирования.
• Бурное развитие домена "Другое чем Мур".
• Относительно медленное развитие домена "Вне КМОП".
• Акцент на переоснащение, а не увеличение производственных мощностей.
• Подготовка новых технологий для снижения стоимости обработанной пластины, включая EUV-литографию и пластины диаметром 450 мм.
• Обсуждение закона Мура при поиске путей дальнейшего развития микроэлектроники.
• Использование значительного числа новых материалов для вновь разрабатываемых и уже выпускаемых типов приборов.
• Ускорение воздействия требований заказчиков и конечных потребителей на разработку новых типов приборов, например, для носимой и потребительской техники.
• Переход к новой структуре изданий ITRS – ITRS 2.0.
ЛИТЕРАТУРА
1. Colwell B. EDA at the End of Moore’s Law. – www.darpa.mil, 2013.
2. Intel, Microsoft и Autodesk ищут новую электронику в микробиологии. – http://www.russianelectronics.ru/leader-r/news/51820/doc/71646.
3. Singer P. IEDM: Nanoelectronics provide a path beyond CMOS/ – http://electroiq.com/blog/2012/12/iedm-nanoelectronics-provide-a-path-beyond-cmos.
4. Stroh I. IEDM 2013: Bei 7 nm wird’s zu teuer // http://www.elektroniknet.de/halbleiter/sonstiges/artikel/104096.
5. ITRS-2013, P.23.
6. Martin B. Are We At an Inflection Point with Silicon Scaling and Homogeneous ICs? – http://semimd.com/blog/2014/10/15/are-we-at-an-inflection-point-with-silicon-scaling-and-homogeneous-ics.
7. Dorsch J. Changes and Challenges Abound in Multi-patterning Lithography. – http://semimd.com/blog/2015/01/26/changes-and-challenges-abound-in-multi-patterning-lithography.
8. Закон Мура – закон или маркетинговая стратегия? – 14.05.2012.
9. Davis S. At The ConFab 2014: Do we still need Moore’s Law? – http://electroiq.com/blog/2014/06/at-the-confab-2014-do-we-still-need-moores-law.
10. Zvi Or-Bach. Are we using Moore’s name in vain? – http://electroiq.com/blog/2013/11/are-we-using-moores-name-in-vain.
11. Zvi Or-Bach. Moore’s law to keep on 28 nm. – http://electroiq.com/blog/2015/05/moores-law-to-keep-on-28 nm.
12. Макушин М. Домасштабировались? Экономика уменьшения топологий // Электроника. Наука. Технология. Бизнес. 2014. № 3 (00134). С. 134–147.
13. Закон масштабирования Деннарда // Открытые системы. 2012. № 2.
14. Davis S. ConFab panelists discuss optimizing R&D in the changing semi landscape. – http://electroiq.com/blog/2014/06/confab-panelists-discuss-optimizing-r-d-in-the-changing-semi-landscape.
15. Moore’s Law is Dead – (Part 1) What? – http://electroiq.com/eds-threads/2014/07/02/moores-law-is-dead-part-1-what.
16. Moore’s Law is Dead – (Part 2) When? – http://electroiq.com/eds-threads/2014/07/10/moores-law-is-dead-part-2-when.
17. Moore’s Law is Dead – (Part 4) Why? – http://semimd.com/eds-threads/2014/07/23/moores-law-is-dead-part-4-why.
18. Takahashi D. Intel’s Gordon Moore speculates on the future of tech and the end of Moore’s Law. – http://venturebeat.com/2015/05/11/intels-gordon-moore-speculates-on-the-future-and-the-end-of-moores-law.
19. Can we take cost out of technology scaling? – http://electroiq.com/petes-posts/2014/07/14/can-we-take-cost-out-of-technology-scaling.
20. http://electroiq.com/wp-content/uploads/2014/07/2.png.
21. Dorsch J. The End of Scaling? – http://electroiq.com/mysemicondaily/2014/07/09/the-end-of-scaling.
Отзывы читателей
