Rancangan Elektronik - Pembangunan masa depan undang-undang Moore

Pada tahun 1950-an, Gordon Moore, rakan-pendiri Fairchild Semiconductor dan Intel, menerbitkan kertas yang menunjukkan bahawa bilangan komponen per sirkuit terintegrasi akan dua kali ganda setiap tahun dalam dekad berikutnya. Pada tahun 1975, dia meninjau ramalan dan berkata bahawa bilangan komponen sekarang gandakan setiap dua tahun. Ini adalah undang-undang Moore yang terkenal.

Hukum Moore telah terbukti betul selama beberapa dekade. Lagipun, undang-undang Moore telah memimpin penghasilan dan desain cip. Penyelidik di Intel dan AMD sentiasa menetapkan tujuan dan sasaran menurut undang-undang Moore. Bila undang-undang Moore memaksa pembangunan cepat desain cip, komputer menjadi semakin kecil. Hukum Moore bukan hanya ramalan, ia telah menjadi tujuan dan piawai yang penghasil tujuan untuk mencapai. Ini beberapa contoh undang-undang Moore:

Pada tahun 1971, salah satu proses semikonduktor pertama adalah 10 mikron (atau 100000 kali lebih kecil daripada meter). Pada tahun 2001, ia adalah 130 nm, hampir 80 kali lebih kecil daripada itu pada tahun 1971.

Pada tahun 2017, proses transistor adalah 10 nm. Berbanding dengan rambut manusia, diameter adalah 100 mikron, hampir 10000 kali lebih besar daripada transistor hari ini.

Krisis undang-undang Moore

Dengan pembangunan sirkuit skala besar, transistor semakin kecil, dan bilangan sirkuit terintegrasi semakin meningkat dalam tertib geometrik, tetapi proses penghasilannya semakin sukar. Mengatasi halangan teknikal dan teknologi ini tidak hanya memerlukan banyak masa dan kajian, tetapi juga banyak modal dan pelaburan. Oleh itu, masa dalam undang-undang Moore juga perlahan-lahan, dan walaupun ia mungkin tidak akan ditetapkan segera, dan krisis undang-undang Moore keluar (tentu saja, ia tidak dapat dihindari jika tidak ada perubahan besar).

Ia mengambil Intel kira-kira dua setengah tahun untuk berkembang dari proses 22nm pada 2012 ke proses 14nm pada 2014. Selepas itu, kajian dan pembangunan 10nm telah menjadi masalah dan terlambat untuk banyak kali. Ia mungkin tidak tersedia sehingga 2019. Bagaimanapun, berita baik adalah kad grafik AMD 7Nm dan CPU akan tersedia pada tahun 2019 (lihat artikel baru-baru ini "Outlook produk masa depan amd...". Kerana undang-undang Moore bukan undang-undang yang sebenar, tetapi ramalan atau spekulasi. Walaupun pembuat cip telah berkomitmen untuk mencapai dan mempertahankan tujuan mereka, ia telah menjadi semakin sukar.

Memutar Moore pada tahun 2015: "Saya fikir undang-undang Moore akan mati dalam dekad berikutnya atau lebih".

terowong kuantum

Sebagai komponen elektronik menjadi lebih kecil dan lebih kecil (skala nano), ciri-ciri kuantum dan kesan secara perlahan-lahan muncul. Sebagaimana kita terus mengurangi saiz transistor, saiz lapisan keputusan persatuan PN juga menurun. Lapisan penghancuran sangat penting untuk mencegah aliran elektron. Penyelidik menghitung bahawa transistor kurang dari 5nm tidak akan mampu menghentikan aliran elektron kerana kesan terowong elektron di kawasan penghancuran mereka. Kerana terowong, elektron tidak akan menyaksikan kawasan penghancur dan "salib" secara langsung. Jika anda tidak boleh menghentikan aliran elektron, transistor akan gagal.

Selain itu, kita sekarang perlahan-lahan mendekati saiz atom itu sendiri. Secara teori, kita tidak boleh membina transistor yang lebih kecil daripada atom. Diameter atom silikon adalah kira-kira 1 nm, dan saiz pintu bagi transistor kita adalah kira-kira 10 kali saiz itu. Walaupun tanpa mempertimbangkan kesan kuantum??, Kita juga akan mencapai had fizikal transistor dan tidak boleh lebih kecil.

Kesan semasa dan pemanasan

Selain terowongan kuantum dan had fizik, terdapat dua masalah proses yang sangat terhad, iaitu, kesan pemanasan bagi transistor saiz kecil. Semasa transistor menjadi lebih kecil, transistor cenderung menjadi lebih "bocor", walaupun dalam keadaan luar. Ia juga tidak dapat dihindari untuk membiarkan beberapa semasa melewati. Ini dipanggil semasa kebocoran. Jika kita tetapkan arus kebocoran kepada 100 Na, jika CPU mempunyai 100 juta transistor, arus kebocoran akan menjadi 10A. Ini akan menghapuskan bateri telefon dalam beberapa minit. Tekanan pintu yang lebih tinggi boleh mengurangi aliran kebocoran, tetapi ini akan membawa kepada kesan pemanasan yang lebih besar. Walaupun tanpa mempertimbangkannya, setiap pengiraan jam sendiri memakan banyak panas. Pembuat mesti guna atribut ini dan buat ia betul untuk mencegah kesan ini. Semasa proses semakin kecil, proses semakin sukar.

Semasa kebocoran tinggi juga boleh menyebabkan masalah silikon gelap dan ingatan gelap. Walaupun mungkin terdapat banyak transistor dalam cip kita, kebanyakan transistor mesti tetap off untuk mencegah cip daripada overheating dan mencair. Semua transistor luar keadaan ini mengambil banyak ruang yang boleh digunakan untuk meletakkan komponen lain. Ini membawa kepada soalan: adakah kita benar-benar perlu menjadi lebih kecil, atau adakah kita memperbaiki desain cip yang wujud?

Pandangan masa depan

Ralat 5nm

Mengingat semua faktor ini, eksekutif Intel dan peta laluan teknologi setengah konduktor antarabangsa menunjukkan bahawa 5 nm mungkin saiz had yang boleh dicapai. Dijangka bahawa 5 nm akan membuat debut pada 2021. Jadi apa lagi yang boleh kita harapkan selepas itu?

Penimbangan Dennard Dennard dianggap sebagai kaedah adik undang-undang Moore. Ia dikembangkan oleh Robert Dennard pada tahun 1974 dan menunjukkan bahawa semasa transistor menjadi lebih kecil, densiti kuasa mereka akan menurun. Ini bermakna sebagaimana transistor menjadi lebih kecil, jumlah tenaga dan arus yang diperlukan untuk operasikan mereka juga akan berkurang. Hukum ini membolehkan penghasil mengurangkan saiz transistor dan meningkatkan kelajuan jam dengan lompatan besar per iterasi. Namun, sekitar 2007, peningkatan Dennard runtuh. Ini kerana pada saiz yang lebih kecil, arus kebocoran akan menyebabkan transistor memanaskan dan menghasilkan kehilangan lebih lanjut.

Kami mungkin telah perasan bahawa walaupun transistor telah menjadi lebih kecil, kadar pengiraan CPU tidak meningkat dalam dekade lepas kerana kemalangan skala dennard. Kehilangan tinggi pada kadar jam tinggi juga sebab kenapa cip telefon pintar menggunakan kelajuan jam yang lebih rendah (biasanya 1.5 GHz).

Hukum Kume

Dengan meningkatkan pelaksanaan cip semasa dan paip arahan yang lebih baik, kita boleh meningkatkan prestasi cip. Jadi profesor Stanford Jonathan Kumey melamar undang-undang koomey: bilangan pengiraan per joule tenaga akan ganda setiap 1.5 tahun. Situasi ini dijangka akan terus hingga 2048, apabila prinsip Landauer dan undang-undang sederhana termodinamik akan mencegah perkembangan lanjut. Pada masa ini, efisiensi komputer terhadap had Landauer adalah kira-kira 0.00001%.

Arkitektur inti berbilang

Bahasa pemrograman tradisional (seperti Java, C+ + dan python) hanya boleh berjalan pada peranti tunggal. Tetapi kerana peranti menjadi lebih kecil dan murah, kita boleh menjalankan program yang sama secara bersamaan atau secara paralel pada banyak cip untuk meningkatkan prestasi lebih lanjut. Dalam hal ini, bahasa seperti golang dan nod akan bermain peran yang lebih penting.

kajian bahan baru

Peneliti di seluruh dunia mencari cara yang lebih baru dan lebih inovatif untuk membuat transistor yang lebih kecil dan lebih cepat. Ia telah dibuktikan bahawa bahan-bahan seperti nitrid galium dan grafen mempunyai kurang kehilangan pada frekuensi tukar yang lebih cepat.

Pengiraan kuantum

Sekarang, penyelesaian yang mungkin adalah untuk mengembangkan komputer kuantum. Perusahaan seperti D-wave dan rigetti komputer bekerja secara luas dalam bidang ini. Yang lebih penting, pengembangan undang-undang Qubits belum bermula. Cara untuk mengelak skala Dennard adalah untuk meletakkan lebih banyak inti dalam cip tunggal untuk meningkatkan prestasi. Pada masa ini, komputer kuantum telah menunjukkan prospek yang besar. Keuntungannya ialah ia boleh mempunyai beberapa keadaan (berbeza dari komputer lain 0 dan 1). Pada masa ini, beberapa pengiraan kuantum percubaan telah mencapai keputusan yang baik, seperti algoritma nombor rawak sebenar berdasarkan teknologi kuantum telah berjaya.