Diseño electrónico - El desarrollo futuro de la Ley de Moore

En la década de 1950, Gordon Moore, cofundador de Fairchild Semiconductor e Intel, publicó un documento en el que señaló que el número de componentes por circuito integrado se duplicaría cada a ño en la próxima década. En 1975 revisó sus previsiones y dijo que el número de componentes se duplicaba cada dos años. Esta es la famosa Ley de Moore.

Durante décadas, la Ley de Moore ha demostrado ser correcta. Además, la Ley de Moore ha estado guiando la fabricación y el diseño de chips. Los investigadores de Intel y AMD siempre apuntan a la Ley de Moore. Con el rápido desarrollo del diseño de chips impulsado por la Ley de Moore, las computadoras se vuelven cada vez más pequeñas. La Ley de Moore no es sólo una predicción, se ha convertido en el objetivo y el estándar de los fabricantes. Aquí hay algunos ejemplos de la Ley de Moore:

En 1971, uno de los primeros procesos de semiconductores fue de 10 micrones (o 100.000 veces más pequeño que un metro). En 2001 era de 130 nanómetros, casi 80 veces menor que en 1971.

En 2017, el proceso de transistores era de 10 nanómetros. En comparación con el pelo humano, tiene un diámetro de 100 micras, casi 10.000 veces mayor que los transistores actuales.

La Ley de Moore y la crisis

Con el desarrollo de circuitos a gran escala, los transistores son cada vez más pequeños, el número de circuitos integrados aumenta en serie geométrica, pero su proceso de fabricación es cada vez más difícil. La superación de estos obstáculos técnicos y técnicos requiere no sólo mucho tiempo e investigación, sino también una gran cantidad de capital e inversión. Por lo tanto, el tiempo en la Ley de Moore se está desacelerando gradualmente, y tal vez no se establezca pronto, y la crisis de la Ley de Moore está estallando (por supuesto, sin grandes cambios, esto es inevitable).

Desde el proceso de 22 nm en 2012 hasta el proceso de 14 nm en 2014, Intel ha tardado unos dos a ños y medio en desarrollarse. Desde entonces, el desarrollo de 10 nm ha sido problemático y se ha retrasado muchas veces. Puede que no esté disponible hasta 2019. Sin embargo, la buena noticia es que las tarjetas gráficas y CPU AMD 7nm estarán disponibles en 2019 (véase el artículo más reciente "AMD Future product Outlook..."). Porque la Ley de Moore no es una ley real, sino una predicción o conjetura. A pesar de que los Fabricantes de chips han estado trabajando duro para lograr y mantener sus objetivos, se está volviendo cada vez más difícil.

"Creo que la Ley de Moore morirá en la próxima década", dijo Moore en 2015.

Túnel Cuántico

A medida que los componentes electrónicos se hacen más pequeños (a nanoescala), las propiedades cuánticas y los efectos aparecen gradualmente. A medida que seguimos reduciendo el tamaño del Transistor, el tamaño de la capa de agotamiento de la Unión PN también está disminuyendo. La capa de agotamiento es importante para prevenir el flujo de electrones. Los investigadores calculan que los transistores de menos de 5 nm no pueden detener el flujo de electrones debido al efecto túnel de los electrones en la región de agotamiento. Debido al túnel, los electrones no perciben el agotamiento y "cruzan" directamente. Si no puedes detener el flujo de electrones, el Transistor fallará.

Además, ahora nos estamos acercando lentamente al tamaño del propio átomo. En teoría, no podemos hacer transistores más pequeños que los átomos. El diámetro del átomo de silicio es de aproximadamente 1 nm, y el tamaño de la puerta de nuestro Transistor es aproximadamente 10 veces mayor. ¿Incluso sin considerar el efecto cuántico? También alcanzaremos el límite físico del Transistor, no menos.

Corriente y efecto de calentamiento

Además del Túnel Cuántico y las limitaciones físicas, hay dos problemas tecnológicos muy restrictivos, a saber, el efecto de calentamiento de los transistores de pequeño tamaño. A medida que el Transistor se hace más pequeño, se vuelve más "goteante" incluso cuando está apagado. También es inevitable dejar pasar algunas corrientes eléctricas. Esto se llama corriente de fuga. Si establecemos la corriente de fuga a 100 na, si la CPU tiene 100 millones de transistores, la corriente de fuga será de 10 a. Esto agotará la batería del teléfono en cuestión de minutos. Un mayor voltaje de la puerta puede reducir el flujo de fuga, pero esto conduce a un mayor efecto de calentamiento. Independientemente de ello, cada cálculo del reloj consume mucho calor. El fabricante debe utilizar y corregir estas propiedades para evitar estos efectos. A medida que el proceso se hace más pequeño, se hace más difícil.

Las altas corrientes de fuga también pueden causar problemas con el silicio oscuro y la memoria oscura. Aunque puede haber muchos transistores en el chip, la mayoría de ellos deben permanecer apagados para evitar que el chip se sobrecaliente y se derrita. Todos estos transistores de Estado de apagado ocupan mucho espacio y pueden ser utilizados para colocar otros componentes. Esto plantea la cuestión de si realmente necesitamos ser más pequeños o mejorar el diseño de chips existente.

Perspectivas futuras

Diseño de 5 nm

Teniendo en cuenta todos estos factores, los ejecutivos de Intel y la hoja de ruta internacional sobre tecnología de semiconductores sugieren que 5nm puede ser el tamaño límite alcanzable. ¿Se espera que los 5 nanómetros hagan su debut en 2021. Qué podemos esperar después de eso?

La escala dennard se considera un método hermano de la Ley de Moore. Fue desarrollado en 1974 por Robert deninard, quien señaló que la densidad de potencia disminuiría a medida que el Transistor se hiciera más pequeño. Esto significa que a medida que los transistores se hacen más pequeños, la cantidad de tensión y corriente necesaria para operarlos también disminuye. La Ley permite a los fabricantes reducir el tamaño del Transistor y aumentar significativamente la velocidad del reloj en cada iteración. Sin embargo, alrededor de 2007, el tamaño de dennard colapsó. Esto se debe a que en tamaños más pequeños, la corriente de fuga causará que el Transistor se caliente y produzca nuevas pérdidas.

Puede que hayamos notado que, aunque los transistores se han vuelto más pequeños, la velocidad de CPU no ha aumentado en la última década debido al colapso de la escala dennard. La Alta pérdida a altas tasas de reloj es también la razón por la que los chips de smartphones utilizan velocidades de reloj más bajas (generalmente 1,5 GHz).

Ley de Kum

Podemos mejorar el rendimiento del chip mejorando la implementación actual del CHIP y mejorando la tubería de instrucciones. Por lo tanto, el Profesor Jonathan coomey de la Universidad de Stanford propuso la Ley de coomey: el número de cálculos por Joule se duplicará cada 1,5 años. Se espera que esto continúe hasta 2048, cuando los principios de Landau y las leyes termodinámicas simples impidan nuevas mejoras. En la actualidad, la eficiencia informática del límite landauer es de aproximadamente 00001%.

Arquitectura Multicore

Los Lenguajes de programación tradicionales como Java, C + + y Python sólo se pueden ejecutar en un solo dispositivo. Pero a medida que el dispositivo se hace más pequeño y más barato, podemos ejecutar el mismo programa simultáneamente o en paralelo en muchos chips para mejorar aún más el rendimiento. En este sentido, lenguajes como golang y node desempeñarán un papel más importante.

Estudio de nuevos materiales

Investigadores de todo el mundo están buscando formas nuevas e innovadoras de hacer transistores más pequeños y rápidos. Se ha demostrado que materiales como el nitruro de galio y el Grafeno tienen menos pérdidas a frecuencias de conmutación más rápidas.

Computación cuántica

En la actualidad, la posible solución es desarrollar computadoras cuánticas. Empresas como D - Wave y rigetti Computing han trabajado extensamente en este campo. Lo que es más importante, la expansión de la Ley de bits cuánticos aún no ha comenzado. Una manera de evitar la escala dennard es colocar más núcleos en un solo chip para mejorar el rendimiento. En la actualidad, la Computación cuántica ha mostrado grandes perspectivas. La ventaja es que puede tener múltiples Estados (A diferencia de otros ordenadores 0 y 1). En la actualidad, algunos cálculos cuánticos experimentales han logrado buenos resultados, como el algoritmo de números aleatorios reales basado en la tecnología cuántica.