Теги → закон мура
Быстрый переход

Чиплетная компоновка микросхем продолжит набирать популярность, и не только в процессорах

Корпорация Intel готова приложить максимум усилий, чтобы после освоения массового производства 7-нм продуктов вернуть так называемый закон Мура к прежним темпам увеличения плотности размещения транзисторов — в два раза каждые два года. В этом разработчикам поможет применение чиплетов, как считают эксперты Omdia.

Источник изображения: AMD

Источник изображения: AMD

В этом году должно исполниться 55 лет со дня появления эмпирического правила, позже получившего обозначение «закон Мура» в честь одного из основателей Intel, Гордона Мура (Gordon Moore). Это правило за время своего существования подвергалось нескольким коррекциям, но в своей актуальной трактовке гласит, что количество транзисторов на единице площади полупроводникового изделия удваивается каждые два или два с половиной года. В последние годы поддерживать прежний ритм мешали физические барьеры, возникшие на пути дальнейшей миниатюризации транзисторов. Но специалисты Omdia убеждены, что переход на использование компоновки из нескольких небольших кристаллов (чиплетов) позволит полупроводниковой отрасли вернуть закон Мура в прежнее русло.

Источник изображения: Omdia

Источник изображения: Omdia

Микропроцессоры станут самыми активными пользователями данного компоновочного подхода, соответствующие решения давно применялись как Intel, так и AMD, просто с течением времени они станут обязательными при разработке сложных и производительных продуктов. Если в 2018 году ёмкость рынка микропроцессоров с чиплетами оценивалась в $452 млн, то к 2024 году она достигнет $2,4 млрд. Более того, весь рынок полупроводниковых компонентов с использованием чиплетов к тому времени вырастет до $5,8 млрд. Это в девять раз больше, чем насчитывалось в 2018 году.

Центральным процессорам применение чиплетов необходимо в первую очередь, поскольку они за счёт этого смогут поддерживать прежние темпы увеличения производительности. Со временем, однако, на такую компоновку будут переходить и другие продукты. Доля микропроцессоров в семействе продуктов с чиплетами сократится с 96 % в 2020 году до 92 % в 2024 году. К 2035 году, рынок компонентов на основе чиплетов достигнет ёмкости в $57 млрд, как ожидают эксперты Omdia. К тому времени основным видом продуктов с компоновкой данного типа станут разнородные вычислительные решения, включая изделия для сегмента Интернета вещей и искусственного интеллекта.

Рост числа транзисторов в чипах продолжает следовать закону Мура

Препятствия на пути развития полупроводникового производства уже напоминают не барьеры, а высоченные стены. И всё же отрасль шаг за шагом движется вперёд, следуя выведенному 55 лет назад эмпирическому закону Гордона Мура. Пусть с оговорками, но число транзисторов в чипах продолжает удваиваться каждые два года.

Чтобы не быть голословными аналитики компании IC Insights опубликовали отчёт о состоянии рынка полупроводников в 2020 году. Отчёт включает историю развития основных рынков с 71 года: памяти DRAM, памяти NAND-флеш, микропроцессоров и графических процессоров.

Аналитики отмечают, что за последние 10–15 лет такие факторы, как энергопотребление и ограничения масштабирования начали сильно влиять на темпы роста числа транзисторов в некоторых интегральных продуктах. Но в целом новые разработки и новые подходы к проектированию и производству чипов позволяют рассчитывать на дальнейшее сохранение закона Мура.

Так, количество транзисторов в микросхемах оперативной памяти DRAM в начале 2000-х годов увеличивалось со средней скоростью примерно на 45 % в год, но с 2016 года замедлилось до 20 % в год после появления 16-Гбит кристаллов памяти компании Samsung. Стандарт DDR5, который все еще дорабатывается JEDEC, будет включать в себя монолитные устройства объёмом 24 Гбит, 32 Гбит и 64 Гбит, а это новый рывок вперёд.

Ежегодный рост плотности флеш-памяти до 2012 года оставался на уровне 55–60 % в год, но с тех пор снизился до 30–35 % в год. Для планарных кристаллов флеш-памяти наивысшая плотность составила 128 Гбит (данные по январь 2020 года). Зато максимальная плотность чипа 3D NAND достигла 1,33 Тбит для 96-слойной памяти с записью четырёх бит в каждую ячейку (QLC). До конца года обещают появиться 1,5-Тбит 128-слойные микросхемы, с последующим ростом ёмкости до 2 Тбит.

Количество транзисторов в микропроцессорах Intel для ПК до 2010 года росло примерно на 40 % в год, но в последующие годы этот показатель снизился вдвое. Количество транзисторов продолжает расти в серверных процессорах компании. Этот рост приостановился в середине-конце 2000-х годов, но затем снова продолжился со скоростью около 25 % в год. Intel перестала раскрывать детали подсчета транзисторов в 2017 году.

Количество транзисторов в прикладных процессорах компании Apple в смартфонах iPhone и планшетах iPad с 2013 года увеличивалось на 43 % в год. Этот показатель включает в себя данные о процессоре A13 с его 8,5 миллиардами транзисторов. Ожидается, что в первой половине 2020 года Apple представит iPad Pro на базе нового процессора A13X.

Высокопроизводительные графические процессоры компании NVIDIA имеют предельно высокое количество транзисторов. В отличие от микропроцессоров, графические процессоры с их высочайшей степенью архитектурного параллелизма не содержат значительного объема кеш-памяти, что оставляет очень много места для логики (транзисторов). Дальнейший акцент компании на ускорители для машинного обучения и ИИ только подогреет данную тенденцию.

Физику не обманешь: глава NVIDIA объяснил, почему центральные процессоры обречены

Основатель и бессменный глава NVIDIA Дженсен Хуанг (Jen-Hsun Huang) является одним из сторонников утверждения о «смерти» так называемого «закона Мура». На квартальной конференции он объяснил, почему современные центральные процессоры становятся дороже и прожорливее.

Источник изображения: NVIDIA

Источник изображения: NVIDIA

Генеральный директор компании начал со слов о том, что масштабирование производительности современных центральных процессоров значительно замедлилось, и причины этого явления носят не маркетинговый, а физический характер. По его мнению, центральные процессоры уже исчерпали возможность дальнейшего повышения быстродействия без увеличения себестоимости или энергопотребления. Даже по деятельности Intel становится понятно, что кристаллы процессоров становятся крупнее, и в рамках прежнего техпроцесса это увеличивает их себестоимость, а также ограничивает способность Intel выпускать больше процессоров с одной кремниевой пластины.

Естественно, весь этот разговор Дженсен Хуанг начал не для того, чтобы обойти вниманием подход возглавляемой им компании к увеличению производительности современных вычислительных систем. Как можно догадаться, ключом к дальнейшему процветанию отрасли Хуанг считает использование графических процессоров. А вот перспективы ускорителей с фиксированной функциональностью он предсказуемо считает туманными. Гибкость графических процессоров и сопутствующего программного обеспечения — вот что, по его словам, является определяющим фактором успеха компонентов NVIDIA в сфере ускорения вычислений.

Не доводи до предела: Джим Келлер пообещал закону Мура ещё двадцать лет благополучия

Вышедшее на прошлой неделе интервью с Джимом Келлером (Jim Keller), руководящим разработкой процессорных архитектур в Intel, позволило снять опасения некоторых участников рынка по поводу скорой кончины закона Мура. Масштабировать полупроводниковые транзисторы можно будет ещё лет двадцать, как считает этот представитель Intel.

Источник изображения: YouTube, Lex Fridman

Источник изображения: YouTube, Lex Fridman

Джим Келлер признался, что уже много раз слышал пророчества по поводу скорого прекращения действия так называемого закона Мура — эмпирического правила, которое в прошлом веке сформулировал один из основателей Intel Гордон Мур (Gordon Moore). В одной из начальных формулировок правило гласило, что количество размещаемых на единице площади полупроводникового кристалла транзисторов способно удваиваться каждые год–полтора. Сейчас, по словам Келлера, коэффициент масштабирования за период в два года составляет около 1,6. Это не такой уж большой регресс по сравнению с исходной трактовой закона Мура, но и прироста быстродействия он сам по себе не гарантирует.

Сейчас Келлер старается не переживать по поводу приближения физического барьера в развитии полупроводниковой вычислительной техники и призывает всех к тому же. По его словам, инженеры и учёные найдут способ создавать транзисторы, чьи линейные размеры не превысят десятка атомов в каждом из трёх измерений. Современные транзисторы измеряются тысячами атомов, поэтому их размеры ещё можно уменьшить в сотню раз, как минимум.

Технически это сделать будет не так просто, для заметного прогресса в литографии нужны усилия специалистов во многих дисциплинах, от физики до металловедения. И всё же, представитель Intel верит, что ещё лет десять или двадцать закон Мура будет актуален, а производительность вычислительной техники будет расти стабильными темпами. Прогресс позволяет делать компьютеры всё более компактными, это меняет способы взаимодействия с ними и всю человеческую жизнь. Если бы технологии изготовления полупроводниковых транзисторов когда-либо и «упёрлись в стену», как считает Келлер, разработчикам программного обеспечения пришлось бы кардинально переработать алгоритмы, чтобы добиться прироста быстродействия при имеющемся «железе». Пока же есть возможность развиваться экстенсивным путём, хотя перфекционистам это и не понравится.

Intel обещает освоить 1,4-нм техпроцесс к 2029 году

На прошлой неделе из уст главы Intel звучали очередные обещания вернуть «закон Мура» на старые рельсы, что позволило бы переходить на новый техпроцесс каждые два или два с половиной года. На конференции IEDM выяснилось, что Intel выбирает более высокий темп для смены техпроцессов на ближайшие десять лет. Например, если 5-нм техпроцесс будет освоен к 2023 году, то к 2029 году компания рассчитывает перейти к 1,4-нм технологии.

Источник изображения: AnandTech

Источник изображения: AnandTech

Представителю сайта AnandTech удалось запечатлеть этот слайд из презентации Intel на конференции IEDM. Становится очевидно, что из диапазона от двух до двух с половиной лет компания выбрала более амбициозный вариант при определении периодичности смены техпроцессов. Как ранее заявляли представители процессорного гиганта, архитектурные решения не должны быть привязаны к конкретной ступени литографии. На указанном слайде этот принцип реализован в возможности перенести продукты, изначально запланированные к выпуску по более прогрессивной технологии, «на шаг назад» к предыдущему техпроцессу.

Внедрить литографию со сверхжёстким ультрафиолетовым излучением (EUV), как уже отмечалось, компания Intel собирается в 2021 году в рамках 7-нм техпроцесса. Глава Intel недавно подтвердил, что первый 7-нм продукт выйдет в конце 2021 года. В своём развитии каждый техпроцесс должен пройти три фазы. Через год после дебюта должна появляться вариация с одним «плюсом» в условном обозначении, через два года — с двумя «плюсами». В тот же год должен реализоваться переход на более продвинутые литографические нормы, их освоение будет идти с перекрытием.

Что характерно, на 2023 год намечено освоение неких новых «литографических функций». Если учесть, что этот период в графике Intel ассоциируется с освоением 5-нм технологии, а ASML к тому моменту начнёт поставки литографических сканеров нового поколения, то речь наверняка идёт о EUV-литографии с высоким значением числовой апертуры (High-NA EUV). Кроме того, на пути к освоению 1,4-нм техпроцесса Intel вынуждена будет экспериментировать с использованием новых материалов и полупроводниковых структур. Главное, чтобы в конце этого пути компания не стала жертвой своих амбиций в очередной раз, как это случилось в истории с 10-нм техпроцессом.

Потеряв в темпе роста частот, AMD возьмётся за увеличение количества ядер

Переход на новые ступени литографии уже не приносит былого улучшения частотного потенциала процессоров. AMD призывает более не рассчитывать на данный фактор. Зато в компании не исключают, что рост количества процессорных ядер в потребительском секторе продолжится, и никаких объективных препятствий для этого нет. Скоростные интерфейсы позволят масштабировать производительность системы «по горизонтали».

Источник изображения: AMD, Reddit

Источник изображения: AMD, Reddit

В интервью сайту Tom’s Hardware технический директор AMD Марк Пейпермастер (Mark Papermaster) признался, что наблюдает замедление так называемого «закона Мура», определявшего темпы развития микроэлектронной промышленности с шестидесятых годов прошлого века. Сформулированное одним из основателей Intel Гордоном Муром (Gordon Moore) эмпирическое правило гласило, что плотность размещения транзисторов на единице площади полупроводникового кристалла удваивается каждые два года. Интервал сперва растянулся с полутора лет до двух с половиной, но отрасль столкнулась и с другой проблемой — быстродействие транзисторов перестало увеличиваться прежними темпами.

Марк Пейпермастер утверждает, что новые техпроцессы в наши дни обеспечивают либо очень малый прирост частотного потенциала процессоров, либо вообще его не предлагают. Рассчитывать в прогнозировании роста производительности процессоров приходится на компоновочные и архитектурные решения. В этом смысле важно внедрение скоростных интерфейсов типа Infinity Fabric, которые помогают эффективно интегрировать разные кристаллы на одной подложке. Кроме того, стандарты типа DDR5 и PCI Express 5.0 тоже попадают в «горизонт планирования» AMD.

Прозвучал в интервью и вопрос о целесообразности дальнейшего увеличения количества процессорных ядер в потребительском сегменте. Объективных препятствий для этого нет, как пояснил технический директор AMD, но важно понимать, что программное обеспечение должно эффективно использовать потенциал всех ядер. На его оптимизацию уходит какое-то время, и для AMD с этой точки зрения важно «не бежать впереди паровоза», а предлагать нужное количество ядер в тот момент, когда они уже будут востребованы программной экосистемой. Напомним, что в следующем году AMD выведет на рынок процессор Ryzen Threadripper 3990X с 64 ядрами, который хоть и обзаведётся впечатляющим ценником, номинально будет относиться к настольном сегменту.

TSMC готова объединить два процессора и восемь микросхем памяти на одной подложке

На открытии Hot Chips в этом году слово будет предоставлено не только главе AMD Лизе Су (Lisa Su), но и ведущему научному специалисту TSMC Филиппу Вону (Philip Wong), который расскажет о перспективах освоения литографических норм за пределами 2 нм. Глава маркетинговой службы TSMC Годфри Чен (Godfrey Cheng) решил предварить это выступление рассказом о методах сохранения действия так называемого «закона Мура» на страницах корпоративного блога. В интерпретации TSMC это эмпирическое правило звучит так: количество транзисторов на полупроводниковом кристалле неизменной площади удваивается примерно раз в два года.

По мнению представителей TSMC, трёхмерная компоновка определённо имеет свои перспективы, но не следует списывать со счетов и компоновочные решения, относимые к так называемому поколению 2,5D. Системы искусственного интеллекта и начинка будущих «робомобилей» — все эти компоненты потребуют максимально быстрого обмена информацией между процессорами и памятью, поэтому нужно не только создавать более скоростные интерфейсы и типы памяти, но и приближать микросхемы памяти к процессорам на уровне компоновки. Как это сделать, уже продемонстрировали и Intel, и NVIDIA, и AMD. Они используют кремниевый мост, который соединяет не только разнородные процессоры, но и микросхемы памяти типа HBM2.

Источник изображения: TSMC

Источник изображения: TSMC

Компания TSMC продемонстрировала прототип самого большого в мире кремниевого моста. Он имеет площадь 2500 мм2, позволяя разместить два дискретных процессора площадью по 600 мм2 каждый, а также восемь микросхем памяти типа HBM. Если же вернуться к идее трёхмерной компоновки, то TSMC считает возможным использование различных материалов для создания монолитных кристаллов с разнородными функциональными блоками. Они могут располагаться друг над другом в несколько ярусов, перемежаясь «слоями памяти». Эту же идею в адаптированном варианте озвучивает и корпорация Intel, которая намеревается при помощи пространственной компоновки Foveros выпускать не только мобильные процессоры Lakefield с высокой степенью интеграции, но и дискретные графические процессоры Intel Xe.

AMD: будущее — за чиплетами, не надо гнаться за нанометрами

Исполнительный директор AMD Лиза Су (Lisa Su) на ежегодном собрании акционеров уже заявила, что передовые компоновочные решения вроде использования «чиплетов» станут одной из основ успеха компании в будущем. Технический директор Марк Пейпермастер (Mark Papermaster) в очередном ролике серии The Bring Up, созданном пресс-службой AMD, уделил особое внимание актуальным проблемам, возникающим перед полупроводниковой отраслью.

Марк заявил, что на протяжении предыдущих пятидесяти лет существования AMD перед отраслью регулярно возникали барьеры, которые первоначально казались непреодолимыми, но инженеры всегда находили выход из сложившейся ситуации. Именно трудности заставляют человека изобретать и находить инновационные решения проблем. В то же время, как отмечает технический директор, именуемое «законом Мура» эмпирическое правило больше не работает только за счёт развития полупроводников, и увеличивать производительность вычислительной техники больше нельзя только за счёт этого фактора.

«Все в этой отрасли упираются в одни и те же законы физики», — поясняет Марк Пейпермастер. Каждая новая ступень литографической технологии становится дороже, используется дольше и уже не приносит прежнего прироста быстродействия транзисторов. Компания AMD решила использовать инновационные компоновочные решения, чтобы сохранить темпы увеличения производительности процессоров. Параллельно с разработкой процессорной архитектуры Zen на протяжении нескольких лет шла разработка скоростного интерфейса Infinity Fabric, в результате компания пришла к компоновочному подходу, обозначаемому как «чиплет» (от англ. chiplet — маленький кремниевый кристалл). Пейпермастер счёл возможным заявить, что именно AMD начнёт первой в отрасли применять «чиплеты».

Источник изображения: Hardwarezone

Источник изображения: Hardwarezone

Этому амбициозному заявлению можно подобрать контраргументы. Во всяком случае, несколько кристаллов на одной подложке можно было встретить у компании Intel ещё в 2006 году, когда она начала выпуск 65-нм процессоров Pentium D семейства Presler. Позже, в 2010 году, уже в рамках семейства Clarkdale компания Intel объединяла на одной подложке разнородные кристаллы, которые выпускались по 32-нм и 45-нм техпроцессу соответственно. Наконец, недавнее сотрудничество Intel и AMD по созданию процессоров Kaby Lake-G характеризовалось появлением на одной подложке с «родным» кристаллом Intel дискретного графического решения AMD. По степени «разнородности дизайна» такой гибрид мало с чем мог поспорить.

Источник изображения: Hot Chips

Источник изображения: Hot Chips

Нельзя сказать, что и NVIDIA пренебрегает этой идеей, хотя её основатель и бессменный руководитель при первой возможности старается рассказать, какие у этого разработчика получаются сложные и крупные монолитные кристаллы. Во-первых, у исследовательского подразделения NVIDIA имеется научная работа, посвящённая сравнению монолитной компоновки и многокристальной, и преимущество признано за последней. Во-вторых, на августовской конференции Hot Chips компания NVIDIA будет при поддержке партнёров рассказывать о прототипе ускорителя нейронных сетей, имеющем многокристальную компоновку.

Следует отметить, что идею своего дальнейшего прогресса в сфере освоения передовых техпроцессов AMD не отметает, и перед рассказом о своих методах работы со студентами продемонстрировала муляж воображаемого 2-нм графического процессора. Демонстрацию этого коллажа предваряло упоминание о «процессоре Ryzen тридцатого поколения». Сегодняшняя молодёжь займётся разработкой продуктов будущего, поэтому кадровой работе на этом направлении в компании уделяется особое внимание.

TSMC собирается строить новый завод для 3D-упаковки чипов

За каких-то три года компания TSMC незаметно стала крупнейшим в мире упаковщиком чипов объёмной (3D) компоновки. Как сообщает тайваньский интернет-ресурс DigiTimes, в области 2.5D/3D-упаковки чипов TSMC обладает возможностями обрабатывать до 200 тыс. подложек в месяц. Для сравнения, лидирующие на рынке упаковки чипов компании Advanced Semiconductor Engineering (ASE) и Amkor Technology могут ежемесячно упаковывать в 2.5D/3D-упаковку кристаллы с 20–30 тыс. пластин каждая, а компания Siliconware Precision Industries (SPIL) — 100–120 тыс. пластин. Ради справедливости уточним, все перечисленные компании (кроме TSMC) имеют куда большие возможности для упаковки обычных планарных или одиночных кристаллов, куда TSMC вход заказан.

NVIDIA Tesla P100 (пример упаковки TSMC CoWoS, GPU и HBM)

NVIDIA Tesla P100 (пример упаковки TSMC CoWoS, GPU и HBM)

История самостоятельной 2.5D/3D-упаковки TSMC началась с покупки в 2014 году тайваньского завода компании Qualcomm по выпуску дисплеев Mirasol на MEMS-ячейках. Тайваньский производитель превратил завод Qualcomm в фабрику по передовой упаковке чипов. Внедрённый на предприятии метод упаковки InFO-WLP (integrated fan-out wafer-level packaging) помог TSMC выиграть заказы на выпуск часов Apple Watch и 10-нм SoC Apple. В настоящий момент на предприятии в основном применяется метод упаковки CoWoS (chip on wafer on substrate), с помощью которого, например, TSMC выпускает GPU NVIDIA Volta с памятью HBM на общей подложке. Но это всё упаковка 2.5D, которая использует тот или иной субстрат (мост, подложку).

2.5D упаковка TSMC:

2.5D упаковка TSMC: InFO и CoWoS

Настоящая 3D-упаковка начнётся с освоения технологии  WoW (wafer-on-wafer). Это прямая состыковка кристаллов либо со стороны контактной группы, либо с лицевой стороны (со стороны расположения элементов). Сообщатся даже о первом клиенте на эту технологию, которым якобы стала компания HiSilicon (подразделение Huawei).

Пример упаковки Wafer on Wafer (Cadence)

Пример упаковки Wafer on Wafer (Cadence)

Сообщается, что для упаковки WoW и более прогрессивных методов производства чипов компания TSMC собирается строить на севере Тайваня новый завод. В компании TSMC не подтвердили эту информацию, но знакомые с работой правительственного агентства по контролю за окружающей средой источники раскрыли, что Environmental Protection Administration (EPA) начала оценку влияния возможного завода на среду вблизи города Чунань в провинции Мяоли.

Apple S1 для «умных» часов Apple (упаковка типа SiP)

Apple S1 для «умных» часов Apple (упаковка типа SiP)

Объёмная упаковка чипов представляется ключевой технологией для продления действия закона Мура. Пусть в видоизменённой форме, но этот закон продолжит работать. Это означает дальнейший прогресс в деле выпуска более совершенных полупроводниковых решений, а для компании TSMC самостоятельное участие в процессе прогрессивной упаковки чипов станет гарантией успешного будущего.

NVIDIA сотрудничает с DARPA в разработке систем для эпохи после закона Мура

NVIDIA снова была выбрана Агентством перспективных оборонных исследований США (DARPA) для совместной работы с группой университетских и отраслевых специалистов. Проект предусматривает разработку таких систем, которые бы позволили для алгоритмов, требующих интенсивного использования данных, добиваться производительности, близкой к специализированным под определённые задачи интегральным схемам (ASIC), не жертвуя при этом программируемостью чипов.

DARPA (подразделение исследований и разработок Министерства обороны США) в рамках прошедшего конкурса наградило команду NVIDIA четырёхлетним контрактом на сумму до $23 млн. Это произошло в рамках новой программы «Аппаратные системы, задаваемые программным обеспечением» (Software Defined Hardware, SDH), входящей в «Инициативу DARPA по возрождению электроники» (Electronics Resurgence Initiative, ERI).

В состав команды входят исследователи из NVIDIA, Массачусетского технологического института, Иллинойского университета в Урбане-Шампейне и Калифорнийского университета в Дэвисе. В ходе программы планируется продемонстрировать новаторские технологии в области прототипов аппаратного и программного обеспечения.

«Инициатива по возрождению электроники исследует новации, которые могли бы решить проблемы, вытекающие из прекращения действия так называемого „закона Мура“, — отметил вице-президент отдела архитектурных исследований NVIDIA Стив Кеклер (Steve Keckler). — Технологии, разработанные в рамках программы ERI, окажут существенное влияние на будущее электронных вычислительных устройств и продуктов NVIDIA».

NVIDIA также будет сотрудничать с Cadence Design Systems для применения алгоритмов машинного обучения в области проектирования потоков автоматизации в рамках новой программы DARPA «Интеллектуальная разработка электронных активов» (Intelligent Design of Electronic Assets, IDEA).

Программа направлена на создание полностью автоматизированного генератора электронных схем без участия человека, который позволил бы пользователям, не имеющим опыта в области электронного проектирования, разработать физический дизайн электронного оборудования. Эти усилия будут дополнять текущие исследования NVIDIA методологии разработки высокопроизводительных интегральных схем в рамках программы DARPA Circuit Realization at Faster Timescales (CRAFT).

Intel готовится к эре «после закона Мура»

Intel активно развивает вычислительные технологии следующего поколения, которые помогут корпорации подготовиться к наступлению эры «после закона Мура».

Напомним, что закон Мура — это эмпирическое наблюдение, изначально сделанное Гордоном Муром, одним из основателей Intel. Закон в современной формулировке гласит, что количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые два года.

До сих пор производителям, пусть и с некоторыми отклонениями, в целом удавалось следовать закону Мура. Но с внедрением всё более «тонких» техпроцессов делать это становится труднее и труднее. Так, у Intel возникли значительные сложности с внедрением 10-нанометровой технологии, и корпорация вынуждена использовать нынешний 14-нанометровый процесс для четырёх поколений процессоров.

Ряд экспертов считают, что в скором времени закон Мура перестанет действовать, а компаниям, рано или поздно, придётся делать ставку на принципиально новые технологии.

Как сообщил глава Intel Брайан Кржанич (Brian Krzanich; на фото), корпорация делает «серьёзные инвестиции» в квантовые и нейроморфные вычисления.

Основным элементом квантовых вычислительных систем станут квантовые биты, или кубиты. Они могут находиться в когерентной суперпозиции двух состояний, а значит, могут кодировать промежуточные состояния между логическим нулём и единицей. Таким образом, с ростом количества использующихся квантовых битов число обрабатываемых одновременно значений увеличивается в геометрической прогрессии. Результат — огромная скорость выполнения сложных задач.

Что касается нейроморфных вычислений, то речь идёт о создании компьютеров, работающих на принципах биологических нейронных сетей. Они, в частности, смогут принимать решения на основе моделей и ассоциаций.

Впрочем, господин Кржанич признаёт, что пройдёт, возможно, не одно десятилетие, прежде чем такие системы появятся на коммерческом рынке. 

Исследователи продлили действие Закона Мура, создав 1-нм затвор

Как сообщает исследователь из Калифорнийского университета в Беркли Суджай Десай (Sujai Desay), в полупроводниковой индустрии долгое время считалось, что любые транзисторы с размером затвора менее 5 нм не будут работать. Всё что меньше этого размера даже не принималось во внимание. В последние годы это предположение, впрочем, стало выглядеть шатким, а теперь было полностью опровергнуто благодаря открытиям, сделанным исследователями упомянутого университета, а также магии углеродных нанотрубок, графена.

Команде в составе Али Джави (Ali Javey), Джеффа Бокора (Jeff Bokor), Ченминга Ху (Chenming Hu), Муна Кима (Moon Kim) и Филиппа Вонга (H.S. Philip Wong) удалось создать транзистор с 1-нанометровым затвором. В теории это открытие позволит сделать полупроводниковые чипы ещё меньше. Для сравнения: размеры затворов современных кремниевых транзисторов составляют 20 нм. Стоит отметить, что графен — не единственный материал, позволивший сделать столь серьёзный прорыв. Для достижения результата исследователи также использовали дисульфид молибдена (MoS2).

Проблема со сверхмалыми транзисторами состоит в том, что чем меньше они, тем сложнее становится контролировать передачу электронов через материал, утечки становятся слишком высокими, и транзисторы не работают. Но благодаря тому, что электроны «тяжелеют», проходя через MoS2, появляется возможность использовать меньшую длину затвора, вплоть до 1 нм. Измерения учёных показали, что транзистор на основе дисульфида молибдена с 1-нм затвором из углеродных нанотрубок позволяет осуществлять эффективное управление потоком электронов.

Стоит отметить, что хотя речь идёт о серьёзном открытии, учёные не в первый раз преодолевают порог в 5 нм при создании транзисторов, как об этом говорит Калифорнийский университет в Беркли. Например, ещё в 2008 году Университет Манчестера использовал графен для создания 1-нм транзистора, а в 2006 году корейские учёные применили FinFET для создания транзистора с длиной канала в 3 нм.

Так что можно быть спокойными: смерть Закона Мура (по крайней мере, с точки зрения плотности транзисторов на единицу площади) немного откладывается.

Через пять лет уменьшать техпроцессы станет невозможно

Многие эксперты полупроводниковой отрасли уже давно высказывали мнение о том, что Закон Мура себя изживает, и дальнейшее уменьшение размеров транзисторов вскоре упрётся в физический предел. Действительно, для производителей чипов переход на каждый новый техпроцесс становится всё более затратным.

mubadala.com

mubadala.com

Согласно прогнозам Ассоциации полупроводниковой промышленности (Semiconductor Industry Association), членами которой являются такие гиганты, как IBM и Intel, уже после 2021 года эра уменьшения размера полупроводниковых элементов завершится. Конечно, физически можно будет и дальше развивать новые проектные нормы, но эта затея станет настолько затратной, что попросту не окупится. Но это не означает, что прогресс остановится и Закон Мура перестанет выполняться. Просто инженеры будут искать другие пути развития. Среди наиболее перспективных отмечаются современные технологии 3D-микросхем и другие разработки, позволяющие более эффективно использовать доступное пространство.

mubadala.com

mubadala.com

Количество компаний, которые располагают достаточными ресурсами для конкуренции в производстве чипов, сокращается. Среди крупных игроков остались Intel, Globalfoundries, Samsung, TSMC. И, по мнению аналитиков, нет никаких гарантий, что кто-то ещё не покинет этот список.   

Чип Google Tensor Processor упростит процесс машинного обучения и вернёт силу закону Мура

Сфера нейросетей и машинного обучения сегодня необычайно популярна. Искусственного разума она нам не обещает, но полностью автоматические машины уже появились на наших дорогах, причём практически все зарегистрированные с их участием аварии произошли по вине человека. И это только начало долгого пути. Компания Google уверена, что сумеет внести в дело машинного обучения серьёзный вклад, представив новый специализированный чип Tensor Processing Unit (TPU). Генеральный директор компании Сундар Пичаи (Sundar Pichai) на конференции I/O заявил, что решения класса TPU обеспечат в данной области производительность, на порядок превосходящую все решения на базе FPGA и даже GPU, включая NVIDIA Pascal GP100. Пока архитектура и возможности TPU Google остаются в строжайшем секрете, было лишь сказано, что они являются частью системы AlphaGo, обыгравшей чемпиона мира Ли Седоля в такой сложной настольной игре, как Го.

Стойка Google, оснащённая модулями TPU

Судя по радиатору, Google TPU выделяет совсем немного тепла

Она, напоминаем, существенно сложнее классических шахмат именно в силу своей многовариантности и требовательности к творческому мышлению. Глава Google немного приоткрыл завесу секретности и заявил, что компания использует модули TPU в своих проектах уже больше года и проведённые исследования показывают необычайную энергоэффективность этих решений. Она настолько высока, что позволит, по мнению Google, продлить действие закона Мура ещё на три поколения вперёд, что примерно эквивалентно семи годам. Сам модуль представляет собой маленькую плату со скромным радиатором и легко монтируется в любой стоечный сервер, снабжённый нужным слотом. Модули TPU уже трудятся в системах RankBrain и Street View. Что же такое TPU или тензорный процессор?

Стойка Google, оснащённая модулями TPU

Стойка Google, оснащённая модулями TPU

Компания Silicon Graphics имела чип с аналогичным названием в своих рабочих станциях в начале двухтысячных годов. Это был вариант сигнального процессора (DSP), а DSP необычайно хороши там, где требуется многократное выполнение сравнительно простой задачи. Но если верить Google, связи между этими двумя TPU нет. Аналитики считают, что Google TPU не является тем звеном, которое непосредственно обучается. Скорее, это проигрыватель сложных алгоритмов, создаваемых на CPU, GPU и FPGA. По всей видимости, это своеобразная разновидность ASIC, похожая на те, что сделали криптовалюты недоступными рядовым добытчикам, вернее, сделали невыгодной их добычу. Главным недостатком чипов класса ASIC является высокая стоимость разработки и узкая направленность, неспособность выполнять операции, хоть как-то выходящие за пределы возможностей, заложенных в чип аппаратно. Вот почему они обычно используются там, где стоимость не важна — в правительственных организациях или корпорациях масштаба Google.

Intel: Закон Мура будет актуальным по меньшей мере 10 лет

Cпециалисты корпорации Intel предсказывают, что закон Мура проживёт ещё как минимум 10 лет, а количество транзисторов в микросхемах будет удваиваться каждые два года. Хотя дальнейшая минимизация транзисторов сопряжена с существенными трудностями, инженеры Intel готовы их решать.

В этом месяце закону Мура — согласно которому количество транзисторов в микросхемах удваивается каждые 18-24 месяца —исполняется полвека; беспрецедентный срок для промышленности, где каждое нововведение устаревает через пару лет. На самом деле, причиной того, почему закон Мура до сих пор актуален, является то, что каждый прорыв в технологии производства полупроводников сопровождается новым прорывом через 24 месяца, что позволяет разработчикам чипов удваивать количество их элементов.

Гордон Мур

Гордон Мур

Поскольку эмпирическое наблюдение об увеличении количества транзисторов было сделано Гордоном Муром (Gordon Moore), одним из основателей Intel, компания очень ревностно следит за дальнейшим соблюдением закона Мура. Инженеры Intel неустанно трудятся над исследованием и созданием новых материалов для построения микросхем, разрабатывают новые технологические процессы, а также проектируют ещё более высоко-интегрированные чипы. Глядя вперёд, в Intel считают, что эволюция полупроводников будет продолжаться в быстром темпе, и закон будет актуален по крайней мере ещё 10 лет. Или, может быть, больше.

«Мы видим примерно на 10 лет вперёд, наши исследователи выявили некоторые перспективные опции (для техпроцессов с линейным разрешением литографического оборудования в 7 нм и 5 нм)», — сказал Марк Бор (Mark Bohr), директор архитектуры техпроцессов и интеграции в Intel, во время специального мероприятия. «Мы считаем, что мы можем продолжать соблюдать закон Мура по крайней мере ещё 10 лет».

Микросхема Intel на подложке

Микросхема Intel на подложке

Специалисты Intel отмечают, что так как исследования и развитие производственных технологий процесс по большей части последовательный, практически невозможно точно предсказать, какие вызовы могут возникнуть, какие из них будут решены, а какие могут означать конец закона Мура. В том, что касается технологий производства полупроводников, Intel имеет горизонт около 10 лет.

«Если бы вы спросили меня 10 или 20 лет назад, я бы дал вам тот же ответ: наше видение тогда простиралось на десятилетие вперёд», — сказал господин Бор. «Было бы справедливо сказать, что в конечном итоге закон Мура замедлится или подойдёт к своему логическому концу, но мы не считаем, что это случится в скором будущем».

Руководитель разработки техпроцессов в Intel подтвердил, что компания рассматривает материалы на основе элементов из третьей–пятой колонок (III-V) таблицы Менделеева для возможного использования в канале транзисторов вместо гафния, который используется в четырёх последних технологическим процессах Intel в качестве диэлектрика. Господин Бор отказался комментировать, какие именно элементы рассматриваются в рамках исследований, а также не высказал каких-либо мыслей по поводу использования графена, или возможного использования новых транзисторных структур, таких как транзисторы с круговым затвором (gate-all-around field-effect transistor, GAA FET). Cчитается, что GAA FET-транзисторы c двумя или четырьмя затворами откроют новые возможности в масштабировании микросхем.

300-мм подложка с микросхемами Intel

300-мм подложка с микросхемами Intel

Несмотря на то, что закон Мура считается основополагающим для полупроводниковой промышленности, следует понимать, что в первую очередь это экономический закон. Как следствие, он может эволюционировать, трансформироваться или вообще пойти в другом направлении. Например, вместо того, чтобы уменьшать размеры транзисторов, производители микросхем могут начать устанавливать компоненты «слоями» поверх друг друга, тем самым увеличивая уровень интеграции. Уже сегодня микропроцессоры для мобильных телефонов имеют в своём составе слои оперативной, а также NAND флеш-типов памяти.

Поскольку в Intel уже исследуют возможности для освоения 5-нм и 7-нм технологических процессов, в то время как ASML (мировой лидер в производстве литографического оборудования для изготовления микросхем) изучает технологии, необходимые для разработки оборудования, которое будет использоваться для производства чипов с использованием 2-нм и 3-нм технологий, нет никаких сомнений, что закон Мура будет продолжать жить ещё 10 или более лет. Тем не менее, большой вопрос в том, сколько компаний будут иметь капитал на разработку новых технологий, покупку оборудования для производства микросхем, а также проектирование сверхсложных чипов.

window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥