Conception électronique - Développement futur de la loi de Moore

Dans les années 1950, Gordon Moore, cofondateur de Fairchild Semiconductor et d'Intel, a publié un article indiquant que le nombre de composants par circuit intégré doublerait chaque année au cours de la prochaine décennie. En 1975, il a revu ses prévisions et a déclaré que le nombre de composants doublait maintenant tous les deux ans. C'est la fameuse loi de Moore.

Pendant des décennies, la loi de Moore s'est avérée vraie. De plus, la loi de Moore a guidé la fabrication et la conception des puces. Les chercheurs d'Intel et d'AMD fixent toujours des objectifs basés sur la loi de Moore. Comme la loi de Moore pousse le développement rapide de la conception des puces, les ordinateurs deviennent de plus en plus petits. La loi de Moore est plus qu'une prédiction, elle est devenue un objectif et une norme que les fabricants visent à atteindre. Voici quelques exemples de la loi de Moore:

En 1971, l'un des premiers procédés de semi - conducteurs était de 10 microns (ou 100 000 fois plus petit qu'un mètre). En 2001, il était de 130 nm, soit près de 80 fois plus petit qu’en 1971.

En 2017, le processus de transistor est de 10 nm. Comparé à un cheveu humain, il mesure 100 microns de diamètre, soit près de 10 000 fois plus que les transistors actuels.

La crise de la loi de Moore

Au fur et à mesure que les circuits à grande échelle se développent, les transistors deviennent de plus en plus petits et le nombre de circuits intégrés augmente dans un ordre géométrique, mais leur processus de fabrication devient de plus en plus difficile. Surmonter ces obstacles techniques et technologiques exige non seulement beaucoup de temps et de recherche, mais aussi beaucoup d'argent et d'investissement. Par conséquent, le temps dans la loi de Moore ralentit aussi progressivement et peut - être même ne s'installe pas de sitôt, et la crise de la loi de Moore éclate (ce qui est inévitable, bien sûr, sans beaucoup de changement).

Il a fallu environ deux ans et demi à Intel pour passer d’un processus de 22 nm en 2012 à un processus de 14 nm en 2014. Après cela, la recherche et le développement de 10nm ont été problématiques et retardés à plusieurs reprises. Il ne sera probablement pas disponible avant 2019. La bonne nouvelle, cependant, est que les cartes graphiques et les processeurs AMD 7nm seront disponibles en 2019 (voir l’article récent AMD future Product outlook…). Parce que la loi de Moore n’est pas une vraie loi, mais une prédiction ou une supposition, bien que les fabricants de puces se soient efforcés d’atteindre et de maintenir leurs objectifs, cela devient de plus en plus difficile.

En 2015, Moore lui - même a déclaré: « Je pense que la loi de Moore va mourir dans la prochaine décennie.

Tunnel quantique

À mesure que les composants électroniques deviennent plus petits (à l'échelle nanométrique), les propriétés et les effets quantiques se manifestent progressivement. Alors que nous continuons à réduire la taille des transistors, la taille de la couche déplétée de jonction PN diminue également. La couche déplétée est importante pour empêcher le flux d'électrons. Les chercheurs ont calculé que les transistors de moins de 5 nanomètres ne seraient pas en mesure d'arrêter le flux d'électrons en raison de l'effet tunnel des électrons de la zone appauvrie. En raison de l'effet tunnel, les électrons ne perçoivent pas la zone de déplétion et se "croisent" directement. Si vous ne pouvez pas arrêter le flux d'électrons, les transistors échouent.

De plus, nous approchons maintenant lentement de la taille de l'atome lui - même. En théorie, nous ne pouvons pas fabriquer un transistor plus petit qu'un atome. Les atomes de silicium ont un diamètre d'environ 1 nanomètre et la grille de nos Transistors mesure environ 10 fois cette taille. Même sans tenir compte des effets quantiques??, Nous atteindrons également les limites physiques des transistors, qui ne peuvent pas être plus petits.

Effet courant et chauffage

Outre le Tunneling quantique et les contraintes physiques, il existe deux problèmes de processus très limitatifs, à savoir l'effet de chauffage des transistors de petite taille. À mesure que les transistors deviennent plus petits, ils ont tendance à devenir plus « fuites», même à l'état bloqué. Laisser passer un certain courant est également inévitable. C'est ce qu'on appelle un courant de fuite. Si nous définissons le courant de fuite à 100 na, si le CPU a 100 millions de transistors, le courant de fuite sera de 10 A. Cela épuisera la batterie de votre téléphone en quelques minutes. Une tension de grille plus élevée peut réduire le courant de fuite, mais cela entraînera plus d'effet de chauffage. Même sans en tenir compte, chaque calcul d'horloge consomme beaucoup de chaleur en soi. Les fabricants doivent utiliser ces propriétés et les rendre justes pour éviter ces effets. Comme le processus devient plus petit, le processus devient plus difficile.

Des courants de fuite élevés peuvent également causer des problèmes avec le silicium noir et la mémoire noire. Bien qu'il puisse y avoir beaucoup de transistors dans nos puces, la plupart doivent rester fermés pour empêcher la surchauffe et la fusion de la puce. Tous ces Transistors éteints prennent beaucoup de place et peuvent être utilisés pour placer d'autres composants. Cela soulève la question suivante: Avons - nous vraiment besoin d'être plus petits ou d'améliorer la conception des puces existantes?

Perspectives d'avenir

Conception 5NM

Compte tenu de tous ces facteurs, les dirigeants d'Intel et la Feuille de route internationale de la technologie des semi - conducteurs suggèrent que 5 nanomètres pourraient être la taille limite à atteindre. Le 5 nm devrait faire ses débuts en 2021. Alors, à quoi pouvons - nous nous attendre après cela?

L'échelle de dennard est considérée comme la méthode sœur de la loi de Moore. Il a été développé par Robert dennard en 1974 et indique que les transistors deviennent plus petits, leur densité de puissance diminue. Cela signifie que, à mesure que les transistors deviennent plus petits, la tension et le courant nécessaires pour les faire fonctionner diminueront également. Cette loi permet aux fabricants de réduire la taille des transistors et d'augmenter la vitesse d'horloge en faisant des sauts importants à chaque itération. Cependant, vers 2007, la taille du dennard s'est effondrée. En effet, à plus petite taille, le courant de fuite provoque un échauffement des transistors et crée d'autres pertes.

Nous avons peut - être remarqué que, bien que les transistors soient devenus plus petits, le taux de calcul du CPU n'a pas augmenté au cours de la dernière décennie en raison de l'effondrement de l'échelle dennard. Les pertes élevées à des taux d'horloge élevés sont également la raison pour laquelle les puces de Smartphone utilisent des vitesses d'horloge plus basses, généralement 1,5 GHz.

La loi de Qom

En améliorant la façon dont les puces existantes sont implémentées et en améliorant le pipeline d'instructions, nous pouvons améliorer les performances des puces. Ainsi, Jonathan Kumi, professeur à Stanford, a proposé la loi de Kumi: le nombre de calculs par Joule d'énergie doublerait tous les 1,5 ans. Cette situation devrait se poursuivre jusqu'en 2048, date à laquelle le principe de landauer et les lois simples de la thermodynamique empêcheront d'autres améliorations. Actuellement, l'efficacité de l'ordinateur à la limite landauer est d'environ 00000 1%.

Architecture multicœur

Les langages de programmation traditionnels tels que Java, C + + et Python ne peuvent fonctionner que sur un seul appareil. Mais à mesure que les appareils deviennent plus petits et moins chers, nous pouvons exécuter les mêmes programmes simultanément ou en parallèle sur de nombreuses puces pour améliorer encore les performances. À cet égard, les langues comme golang et Node joueront un rôle plus important.

Recherche de nouveaux matériaux

Les chercheurs du monde entier recherchent des moyens nouveaux et plus innovants de fabriquer des transistors plus petits et plus rapides. Il a été démontré que des matériaux tels que le Nitrure de gallium et le Graphène ont moins de pertes à des fréquences de commutation plus rapides.

Calcul quantique

Actuellement, la solution possible est de développer des ordinateurs quantiques. Des entreprises comme D - wave et rigetti Computing ont beaucoup travaillé dans ce domaine. Plus important encore, l'expansion de la loi des qubits n'a pas encore commencé. La façon de contourner l'extension dennard est de mettre plus de cœurs dans une seule puce pour améliorer les performances. Actuellement, l'informatique quantique montre de grandes perspectives de développement. Il a l'avantage de pouvoir avoir plusieurs états (contrairement aux autres ordinateurs 0 et 1). Actuellement, certains calculs quantiques expérimentaux ont donné de bons résultats, comme les algorithmes de nombres aléatoires réels basés sur la technologie quantique.