Текст: Владислав Бовсуновский

Предсказанию ученого Гордона Мура о развитии вычислительной техники в нынешнем году исполняется 50 лет. За это время производительность ПК увеличилась в 3,5 тысячи раз, а энергоэффективность — в 90 тысяч раз. Причем цена не только не изменилась, но и заметно снизилась. А вот что будет дальше? В среде ученых есть мнение, что прогресс остановится, так как дальнейшее снижение размеров чипов уже невозможно. «Репортер» на праздновании, которое на днях в Киеве провела компания Intel, выяснил, как разработчики смогут преодолеть эту грань и то, как это скажется на электронике

Вопреки названию, «закон Мура» вовсе не является законом, а лишь эмпирическим наблюдением. Молодой химик Гордон Мур в начале 1950-х работал в команде ученого Уильяма Шокли (изобретателя транзистора), которая состояла из восьми специалистов в области физики и химии. Занимались они преимущественно выполнением заказов для Минобороны США. Увы, как и многие гении, Шокли отличался скверным характером, из-за которого в 1957-м «восьмерка» его покинула, чтобы создать компанию Fairchild Semiconductor, а затем и Intel. Всего за несколько лет они разработали технологию изготовления чипов на основе кремния, которая используется до сих пор. Когда в апреле 1965 года Гордон Мур написал короткую заметку «Будущее интегрированной электроники», где был сделан прогноз о том, что количество элементов в микросхеме будет удваиваться каждые 12 месяцев (см. фото выше), он фактически поделился собственными планами на расширение производства.

Мур подсчитал, что такой темп развития позволяет увеличивать производительность и возможности микросхем, сохраняя экономическую целесообразность. Опережение графика делало бы производство нерентабельным, а отставание приводило к риску, что тебя обгонят и вытеснят конкуренты. Изначально прогноз делался на ближайшие 10 лет, то есть до 1975 года. Но через 10 лет, после некоторых поправок, уточненная версия «закона» предполагала удвоение числа транзисторов каждые 24 месяца.

Следуя «закону Мура», полупроводниковая промышленность развивалась колоссальными темпами. В 1971 году был представлен первый микропроцессор Intel 4004, который содержал 2 300 транзисторов и производился по технологии 10 мкм (10 000 нм). Сегодня процессор Intel Core i7 включает порядка 1,3 млрд транзисторов, при этом для изготовления кристаллов используется 14-нанометровый техпроцесс. То есть производительность увеличилась примерно в 3 500 раз, а энергоэффективность — в 90 тысяч раз. Неожиданным эффектом «закона Мура» стало появление большого количества очень точных технологических предсказаний (Cisco, IBM, Intel или того же Рэя Курцвейла, технического директора Google), а также концептов, опережающих время. Например, планшеты и смартфоны впервые появились в 2002 году, а реально получили распространение лишь в 2012-м. То же можно сейчас сказать и об умных очках — прототипы существуют уже несколько лет, но процессоры, которые подходят для них (с точки зрения размера, вычислительной мощности и энергоэффективности) появятся лишь через два-три года.

Технологические пределы

Современные чипы настолько малы, что каждый следующий шаг по их дальнейшей миниатюризации связан с огромными сложностями. Ведь дело не только в том, чтобы просто уменьшить размер каждого транзистора, а еще и чтобы процессоры оставались недорогими в производстве и, соответственно, доступными для конечного потребителя. А их с каждым днем будет нужно все больше и больше — человечество вступает в эпоху интернета вещей. Основное решение — увеличение диаметра кремниевых пластин. В 1975 году в производстве исполь-
зовались 100-миллиметровые пластины, сей-
час — 300-миллиметровые, а в 2017-м будут 450-миллиметровые. Но главная проблема дальнейшего соблюдения «закона Мура» — в законах физики. Так, при уменьшении чипа до 10 нм возникает такое явление, как туннелирование (размывается грань между нашим миром и микромиром, где действуют законы квантовой механики). Но в Intel уже сейчас заявили, что нашли способ снизить его размер до 7 нм путем технологических ухищрений: технология напряженного кремния, металлические затворы и материалы с высокой диэлектрической проницаемостью (High-k), а также применение 3D-транзистров Tri-Gate и многослойная компоновка 3D NAND для микросхем флеш-памяти. Процессоры можно сделать настолько мелкими по размеру, что их можно будет без каких-либо проблем встроить куда угодно. Причем произойдет это уже через два года. Нынешний же техпроцесс — 14-нанометров.

Что будет за пределами

По заявлению директора полупроводниковой группы DARPA Роберта Колвелла, группа которого изучает порядка 30 исследований в области технологий выпуска полупроводников, будущее есть лишь у нескольких направлений. Наиболее перспективными видятся замена кремния на арсенид галлия (графен, молибденит, германий), использование углеродных нанотрубок и фотонные решения. То есть «закон Мура» продолжит свое существование и в будущем, просто его будут применять не к кремниевой электронике, а по отношению к альтернативным конструкционным материалам.