Menší tranzistory, vyšší cena. Pod 28 nanometry už Mooreův zákon neplatí

0

Minulý týden vyšel na blogu magazínu EETimes zajímavý článek, jehož autorem je ředitel firmy MonolithIC 3D, Zvi Or-Bach. Mooreův zákon – pravidlo, že každých 12–18 měsíců se zdvojnásobí počet tranzistorů v mikročipech a podobnou křivkou roste jejich výkon – už v posledních letech ztrácí dech. Doposud jsme mohli doufat alespoň v to, že lepší poměr ceny k užitné hodnotě přinese pokračující miniaturizace tranzistorů, díky níž se na wafer vejde více čipů. Or-Bach ovšem tvrdí (a své tvrzení podkládá materiály od velikánů polovodičového průmyslu), že 28nm postup je poslední, o němž toto platí. Dále bude možné čipy zmenšovat, ale už ne zlevňovat.

 

Úvodem článku připomíná původní znění Mooreova zákona, který nehovoří o výkonu, překvapivě ani o počtu tranzistorů, ale o „komplexitě pro minimální cenu součástek“. Gordonu Mooreovi tedy nešlo o to, zdali lze fyzicky vyrobit čip s větším počtem tranzistorů, ale aby to bylo ekonomicky rentabilní.

Konec Mooreova zákona, Zvi Or-Bach  Konec Mooreova zákona, Zvi Or-Bach
FD-SOI je možným východiskem, ale na jak dlouho?

Jak tedy zvyšovat výkon a přitom snižovat cenu? Firma STMicroelectronics a se domnívá, že stagnace nebo růst výrobních nákladů je problém bulk postupů (kvůli technologiím jako HKMG nebo FinFET, které výrobu prodražují), a FD-SOI se alespoň zatím netýká. Výrobna Globalfoundries je trochu méně optimistická. Pokročilejší postupy FD-SOI sice umožní vyšší pracovní frekvenci a tím pádem vyšší výkon, čip se stejným počtem tranzistorů ale levnější nebude. Zatím také není jasné, zdali bude možné FD-SOI použít pro velikosti tranzistorů pod 14 nm. (První slajd přednesl Joël Hartmann na letošní konferenci Semi ISS, druhý je z loňského workshopu SOI Consortium v Kyotu.)

Konec Mooreova zákona, Zvi Or-Bach   Konec Mooreova zákona, Zvi Or-Bach
Problém si uvědomují též Nvidia, ASML a Broadcom

Rostoucí výrobní náklady vnímají i přeborníci v oblasti megalomanských čipů. Nvidia vidí jako východisko přechod na 450mm wafery, který je ovšem ještě hodně vzdálenou budoucností. Že je cena pod 28 nanometry problém, říká i dodavatel výrobního zařízení, firma ASML. Součástí jejího slajdu je graf od Broadcomu nadepsaný „cena za milion hradel“. Poslední tři sloupečky jsou 28nm, 20nm a 14nm. Cena za jedno vyrobené hradlo, nebo, chcete-li, tranzistor, už neklesá a naopak mírně roste.

Konec Mooreova zákona, Zvi Or-BachHustota pamětí SRAM neroste tak, jak bychom očekávali

Zatímco tranzistory lze stále zmenšovat (byť s problémy), paměti SRAM, používané pro cache uvnitř čipu, ve škálování zaostávají. Je-li vyžadována vysoká pracovní frekvence, výsledná hustota v Mb/mm² je na 16nm postupu jen o 10–20 % vyšší než na 28 nanometrech. Je to dáno vlastnostmi menších tranzistorů, které mají menší náboj a vyšší variabilitu, jednotlivé paměťové bloky tedy musí být menší a navíc potřebují pomocné obvody pro čtení a zápis. Pomocné a propojovací obvody stojí tranzistory a o to méně užitečných paměťových buněk lze se stejným počtem tranzistorů vyrobit.

Podobný problém představují analogové obvody, o nichž je dlouho známo, že s pokračující miniaturizací digitálních částí (tranzistorů) škálují jen málo, nebo vůbec. Představíme-li si hypotetický čip složený pouze z digitálních obvodů, po zmenšení tranzistorů o „full node“ (např. z 45 na 32 nm nebo z 28 na 16 nm) by hustota tranzistorů na plochu byla dvojnásobná. Jak se ale čip zmenšuje, zmenšují se i metalické vrstvy a tím roste jejich vodivý odpor (odborně se tomu říká BEOL RC – back end-of-line resistance/capacitance). Překonání tohoto odporu vyžaduje více analogových komponent pro zesilování a opakování signálu, takže výsledná hustota tranzistorů je vyšší přibližně jen 1,6×. (Ani toto není z Or-Bachovy hlavy, nýbrž ze slajdu od Qualcommu, který prezentoval jeho viceprezident Geoffrey Yeap na konferenci IEDM 2013.)

Pokud jste rozklikli odkaz v úvodu této aktuality, pak asi tušíte, kam Zvi Or-Bach ve svém článku směřuje – pochopitelně k přihřátí vlastní polívčičky, kterou je „monolitická 3D integrace“. Technologie, kterou vyvíjí firma MonolithIC 3D, umožňuje vyrábět mikročipy s obvody ve dvou vrstvách. Slibuje daleko větší prostorovou hustotu tranzistorů než stohování čipů s využitím můstků TSV, mimo jiné díky kratším vodivým cestám, čímž klesá potřebný počet analogových opakovačů. Zní to jako hudba hodně vzdálené budoucnosti, společnost však tvrdí, že již má první zákazníky z řad výrobců pamětí NAND Flash.

Zdroj: EETimes, MonolithIC 3D

Menší tranzistory, vyšší cena. Pod 28 nanometry už Mooreův zákon neplatí

Ohodnoťte tento článek!

1 komentář

  1. Proč není článěk označený jako placená reklama???

    Vždyť uvádí pouze pozitiva, ale žádná zmínka o tom, kolik bude zmiňovaný přístroj stát. A žádná zmínka o tom, kolik bude stát provedení takové bankovní operace. Bude to jako u stávajících platebních karet? Obojí pro prodávajícího zřejmě nebudou zrovna zanedbatelné položky a  i když se jistě najde někdo, komu se to hodit bude, je otázka, v jaké míře tyto náklady vynahradí prodávajícím vychvalované přednosti.

    Pokud to není PR článek a nejsou k dispozici náklady obchodníka, stálo by za to aspoň uvést, že s proti výhodám stojí existence těchto dodatečných nákladů, která může být pro malé živnostníky daleko více limitující než pro velké firmy.

  2. Vašemu vysvětlení sice rozumím, ale myslím si, že by bylo přínosné, kdybyste zmínil i nevýhody a brzdy zavádění do praxe. Má-li to být jen krátký článek, tak alepoň stručným výčtem. Pro další čtenáře by jistě bylo přínosné přečíst si je už ve článku, ne až v diskusi. A právě větší objektivitou můžete, podle mne, jako autor dodat svému článku na atraktivitě. Takhle je to jenom pouhé přeformulování zdroje.

    Zrovna u řemeslníků bych velké rozšíření nečekal – cenový rozdíl je totiž daný taky hojně pratikovanou platbou „bez dokladu“, která pak v podnikání není vykázána. A platbu přes kartu už řemesník musí ve svém podnikání uvést, takže cenová nevýhoda těch, kdo toto praktikují je ještě podstatně vyšší než pouhé poplatky bance. Jistěže, je zmíněná platba bez dokladu nelegální a toto neobhajuji, ale asi se s tím setkal každý, kdo někdy využíval služby řemeslníků…