Progettazione PCB - Sviluppo futuro della legge Moore

Negli anni '50, Gordon Moore, co-fondatore di Fairchild Semiconductor e Intel, pubblicò un articolo sottolineando che il numero di componenti per circuito integrato raddoppierà ogni anno nel prossimo decennio. Nel 1975, ha rivisto le sue previsioni e ha detto che il numero di componenti ora raddoppia ogni due anni. Questa è la famosa legge di Moore.

La legge di Moore si è dimostrata corretta per decenni. Inoltre, la legge di Moore ha guidato la produzione e la progettazione di chip. I ricercatori di Intel e AMD hanno sempre fissato obiettivi e obiettivi secondo la legge di Moore. Mentre la legge di Moore costringe il rapido sviluppo della progettazione di chip, i computer diventano sempre più piccoli. La legge di Moore non è solo una previsione, è diventata l'obiettivo e lo standard che i produttori mirano a raggiungere. Ecco alcuni esempi della Legge di Moore:

Nel 1971, uno dei primi processi a semiconduttore era di 10 micron (o 100000 volte più piccolo di un metro). Nel 2001, era 130 nm, quasi 80 volte più piccolo di quello nel 1971.

A partire dal 2017, il processo del transistor era di 10 nm. Rispetto ai capelli umani, il diametro era di 100 micron, quasi 10000 volte più grande degli attuali transistor.

La crisi legale di Moore

Con lo sviluppo di circuiti su larga scala, i transistor stanno diventando sempre più piccoli e il numero di circuiti integrati sta aumentando in ordine geometrico, ma il suo processo di produzione sta diventando sempre più difficile. Superare queste barriere tecniche e tecnologiche richiede non solo molto tempo e ricerca, ma anche molto capitale e investimenti. Pertanto, anche il tempo nella legge di Moore rallenta gradualmente, e anche questo potrebbe non essere stabilito presto, e scoppia la crisi della legge di Moore (naturalmente, è inevitabile se non ci sono grandi cambiamenti).

Intel ha impiegato circa due anni e mezzo per sviluppare dal processo 22nm nel 2012 al processo 14nm nel 2014. Dopo di che, la ricerca e lo sviluppo di 10nm è stato problematico e ritardato per molte volte. Potrebbe non essere disponibile fino al 2019. Tuttavia, la buona notizia è che la scheda grafica AMD 7Nm e la CPU saranno disponibili nel 2019 (vedi il recente articolo "amd future product outlook..."). Poiché la legge di Moore non è una legge reale, ma una previsione o speculazione. Sebbene i produttori di chip si siano impegnati a raggiungere e mantenere i loro obiettivi, è diventato sempre più difficile.

Citando Moore stesso nel 2015: "Penso che la legge di Moore morirà nel prossimo decennio o giù di lì".

tunneling quantistico

Man mano che i componenti elettronici diventano sempre più piccoli (scala nano), le proprietà quantistiche e gli effetti appaiono gradualmente. Mentre continuiamo a ridurre le dimensioni del transistor, anche la dimensione dello strato di impoverimento della giunzione PN sta diminuendo. Lo strato di impoverimento è molto importante per prevenire il flusso di elettroni. I ricercatori hanno calcolato che i transistor inferiori a 5nm non saranno in grado di fermare il flusso di elettroni a causa dell'effetto tunneling degli elettroni nella loro regione di impoverimento. A causa del tunneling, gli elettroni non percepiranno la regione di impoverimento e "attraverseranno" direttamente. Se non riesci a fermare il flusso di elettroni, il transistor fallirà.

Inoltre, ora ci stiamo avvicinando lentamente alla dimensione dell'atomo stesso. Teoricamente, non possiamo costruire un transistor più piccolo dell'atomo. Il diametro degli atomi di silicio è di circa 1 nm e la dimensione del gate dei nostri transistor è di circa 10 volte quella dimensione. Anche senza considerare gli effetti quantici??? Raggiungeremo anche il limite fisico dei transistor e non possiamo essere più piccoli.

Effetti di corrente e riscaldamento

Oltre al tunnel quantistico e ai limiti fisici, ci sono due problemi di processo molto restrittivi, cioè l'effetto di riscaldamento dei transistor di piccole dimensioni. Man mano che i transistor diventano più piccoli, i transistor tendono a diventare più "perdite", anche nello stato spento. È anche inevitabile lasciare passare qualche corrente. Questa si chiama corrente di dispersione. Se impostiamo la corrente di perdita a 100 Na, se la CPU ha 100 milioni di transistor, la corrente di perdita sarà 10A. Questo scaricherà la batteria del telefono in pochi minuti. Più alta tensione del cancello può ridurre il flusso di perdita, ma questo porterà a più effetto di riscaldamento. Anche senza considerarlo, ogni calcolo dell'orologio stesso consuma molto calore. I produttori devono utilizzare questi attributi e renderli giusti per prevenire questi effetti. Man mano che il processo diventa sempre più piccolo, il processo diventa sempre più difficile.

L'alta corrente di perdita può anche portare a problemi di silicio scuro e memoria scura. Anche se ci possono essere molti transistor nel nostro chip, la maggior parte dei transistor devono rimanere spenti per evitare che il chip si surriscalda e si sciolga. Tutti questi transistor off state occupano molto spazio che può essere utilizzato per posizionare altri componenti. Questo porta alla domanda: dobbiamo davvero essere più piccoli o dobbiamo migliorare il design del chip esistente?

Prospettive future

Progettazione 5nm

Considerando tutti questi fattori, i dirigenti Intel e la roadmap internazionale della tecnologia dei semiconduttori indicano che 5 nm possono essere le dimensioni limite che possono essere raggiunte. Si prevede che 5 nm farà il suo debutto nel 2021. Quindi cos'altro possiamo aspettarci dopo?

La scala Dennard di Dennard è considerata il metodo sorella della legge di Moore. È stato sviluppato da Robert Dennard nel 1974 e ha sottolineato che man mano che i transistor diventano più piccoli, la loro densità di potenza diminuirà. Ciò significa che man mano che i transistor diventano più piccoli, diminuirà anche la quantità di tensione e corrente necessaria per farli funzionare. Questa legge consente ai produttori di ridurre le dimensioni dei transistor e aumentare la velocità di clock di un grande salto per iterazione. Tuttavia, intorno al 2007, la scala di dennard è crollata. Questo perché ad una dimensione più piccola, la corrente di perdita causerà il riscaldamento del transistor e produrrà ulteriori perdite.

Potremmo aver notato che anche se i transistor sono diventati più piccoli, la velocità di calcolo della CPU non è aumentata nell'ultimo decennio a causa del crash di scalabilità dennard. L'elevata perdita ad alta velocità di clock è anche il motivo per cui i chip di smart phone utilizzano velocità di clock più bassa (solitamente 1,5 GHz).

La legge di Kume

Migliorando l'attuale implementazione del chip e una migliore pipeline di istruzioni, possiamo migliorare le prestazioni del chip. Così il professore di Stanford Jonathan Kumey propose la Legge di Koomey: il numero di calcoli per joule di energia raddoppierà ogni 1,5 anni. Questa situazione dovrebbe continuare fino al 2048, quando il principio di Landauer e le semplici leggi della termodinamica impediranno ulteriori miglioramenti. Attualmente, l'efficienza informatica dei limiti Landauer è di circa lo 0,00001%.

Architettura multi-core

I linguaggi di programmazione tradizionali (come Java, C + + e python) possono essere eseguiti solo su un singolo dispositivo. Ma man mano che i dispositivi diventano più piccoli e più economici, possiamo eseguire gli stessi programmi contemporaneamente o in parallelo su molti chip per migliorare ulteriormente le prestazioni. A questo proposito, lingue come il golang e il nodo giocheranno un ruolo più importante.

Ricerca sui nuovi materiali

I ricercatori di tutto il mondo sono alla ricerca di modi nuovi e più innovativi per realizzare transistor più piccoli e più veloci. È stato dimostrato che materiali come nitruro di gallio e grafene hanno meno perdita a frequenza di commutazione più veloce.

Calcolo quantistico

Attualmente, la soluzione possibile è sviluppare computer quantistici. Aziende come d-wave e righti computing stanno lavorando ampiamente in questo campo. Ancora più importante, l'espansione della legge qubits non è ancora iniziata. Il modo per aggirare la scalabilità di dennard è mettere più core in un singolo chip per migliorare le prestazioni. Attualmente, il calcolo quantistico ha mostrato grandi prospettive. Il suo vantaggio è che può avere più stati (diversi dagli altri computer 0 e 1). Attualmente, alcuni calcoli quantistici sperimentali hanno raggiunto buoni risultati, come l'algoritmo di numeri casuali reale basato sulla tecnologia quantistica ha avuto successo.