Prawo Moore’a daje nam chyba znać, że więcej z obecnej technologii już nie wyciśniemy.
Prawo Moore’a
W 1965 roku Gordon Moore opublikował krótki, nieformalny artykuł o upychaniu coraz to większej liczby komponentów do układów scalonych. Zauważył w nim, że w ciągu trzech lat optymalny koszt jednego komponentu chipa spadł dziesięciokrotnie, podczas gdy optymalna liczba „scalaków” wzrosła o ten współczynnik, tj. z 10 do 100. Na podstawie w zasadzie wyłącznie tych danych oraz jego wiedzy na temat rozwoju chipów krzemowych – a był szefem działu badawczo-rozwojowego w Fairchild Semiconductors, firmie, dzięki której powstała Krzemowa Dolina – powiedział, że przez następną dekadę liczba komponentów będzie się podwajać każdego roku. Czyli, że będziemy upychać dwa razy tyle chipów na danym obszarze. Według niego do 1975 roku aż do 65 000 elementów, takich jak tranzystory, będzie mogło się zmieścić na jednym chipie kosztującym nie więcej niż 100-komponentowe chipy dostępne w momencie publikacji tego artykułu.
I ja się okazało - miał rację. Co więcej, w miarę kurczenia się tranzystorów zużywały mniej energii i działały szybciej, co prowadziło do oszałamiającej, trwałej poprawy kosztów i wydajności. Dziś praktycznie cały przemysł, nauka, medycyna i każdy aspekt codziennego życia zależy od komputerów, które są coraz szybsze, tańsze i szerzej rozpowszechnione i bez których praca w IT nie byłaby możliwa.
Coś się zmienia
Ale według profesor Erici Fuchs z Carnegie Mellon University prawo Moore'a właśnie przestaje działać. Wielu się z tym nie zgadza, zwłaszcza producenci chipów (cóż za zaskoczenie), jednak na przykład badanie przeprowadzone w 2018 roku przez naukowców z MIT i Stanford wykazało, że o ile badania i rozwój (prace R&D) poświęcone na utrzymanie tempa wzrostu półprzewodników wzrosły około 18 razy od wczesnych lat 70-tych XX wieku to nastąpiło to przy stale zmniejszającej się skuteczności. No ale zaraz, przecież Intel publikuje nową mapę drogową do 2025 roku i obiecuje trzy nowe iteracje technologii chipowej a TSMC i Samsung obiecują szybki postęp w zakresie technologii 1 nm i dalej, to co się właściwie dzieje?
Wielkie wyzwania
Chipy powstają etapami. Surowy wafel krzemowy przechodzi złożoną ścieżkę litografii, powlekania, trawienia, osadzania i testowania, wszystko w różnych warunkach, ale z zastrzeżeniem, że żaden proces nie może zostać zakłócony czy zniweczony przez kolejne zdarzenia – więc te procesy technologiczne, które wymagają wysokiej temperatury, muszą nastąpić najpierw, i nie można ich powtórzyć po bardziej wrażliwych etapach. Aby spojrzeć z innej perspektywy: 2 nm to szerokość zaledwie 10 atomów krzemu i wiele rzeczy musi dobrze zadziałać w tej skali.
Największym problemem jest chyba litografia – sposób drukowania chipów krzemowych. Cienką warstwę światłoczułego lakieru oporowego nakłada się na powierzchnię chipa, a następnie przez filtr pada na nią wzór światła. Wytrawiacz następnie przeżera nienaświetloną część, odsłaniając części krzemu. Te odsłonięte obszary są następnie odpowiednio obrabiane.
Przy małych rozmiarach nanometrycznych każda czynność jest trudna. Folie wirowane mogą mieć grubość zaledwie 5 nm lub około 50 atomów i jeśli nie utworzą idealnie gładkiej warstwy bez wybrzuszeń lub zagłębień, proces naświetlania będzie wadliwy. Światło użyte do naświetlenia warstw będzie musiało być ekstremalnie ultrafioletowe, EUV, które ma wystarczająco krótką długość fali, aby stworzyć maleńkie znaki. Większość najnowszych fabryk do tej pory używała światła średniego UV przy 193 nm, które dzięki różnym poprawkom optycznym i procesowym może tworzyć elementy o skoku około 40 nm. To jest przepaść.
Ekonomia prawdę Ci powie
Pomimo koniunktury w branży, droga do 2 nm w 2025 roku jawi się jako wyboista. A ekonomia produkcji chipów już się radykalnie zmieniła – raport Centrum Bezpieczeństwa i Nowych Technologii (CSET) szacuje, że w ostatnich trzech węzłach TSMC – 10, 7 i 5 nm – koszt równoważnego chipa pozostał w dużej mierze stabilny: na poziomie odpowiednio 274, 233 i 238 dolarów. Koszt wafla wzrósł wprawdzie z około 6 000 dolarów do 17 000 dolarów, ale większa liczba chipów na wafel zrównoważyła ten wzrost ceny. Ale w przeszłości było po prostu dużo lepiej. Podczas przejścia z 65 nm przez 40 nm do 28 nm koszt jednego wafla wzrósł tylko o jedną trzecią z 2 do 3 tysięcy dolarów podczas gdy koszt jednego chipa spadł i to aż o dwie trzecie z 1428 dolarów do 453 dolarów. Te dni minęły i już nie wrócą i w tym także upatruje się końca przepowieści Pana Gordona. Ale z pewnością nawet jeśli to prawda to proces upadania przepowieści o podwajaniu ilości chipów będzie znacząco rozciągnięty w czasie - dwa lata temu snuto już podobne przypuszczenia choć dziś oznaki spowolnienia są jeszcze bardziej widoczne.
