Elektronik tasarım - Moore yasasının gelecekte gelişmesi

1950'lerde, Fairchild Semiconductor ve Intel'in ortak kurucusu Gordon Moore, bir kağıt yayınladı, belirtiyor ki, birer integral devre'de her yıl gelecek on yılda birkaç katı olacağını belirtiyor. 1975 yılında tahmini inceledi ve şimdi iki yıl ikiye katıldığını söyledi. Bu ünlü Moore'un kanunu.

Moore'un kanunun on yıldır doğru olduğunu kanıtlandı. Ayrıca Moore'un yasası çip üretimi ve tasarımı yönetiyor. Intel ve AMD araştırmacıları Moore'un yasasına göre hep hedefleri ve hedefleri ayarladılar. Moore'un yasası çip tasarımının hızlı gelişmesini güçlendirirken bilgisayarlar daha küçük ve daha küçük olur. Moore'un yasası sadece bir tahmin değil, üreticilerin başarmaya amaçlı hedef ve standart oldu. Moore'un yasasının bazı örnekleri var:

1971 yılında ilk yarı yönetici süreçlerinden biri 10 mikrondu (ya da 1 metreden 100000 kat daha küçük). 2001 yılına kadar, 1971 yılında bundan yaklaşık 80 kat daha küçüktü.

2017 yılından beri transistor süreci 10 nm. İnsan saçlarıyla karşılaştığında, elması 100 mikrondu, bugünkü transistorlerden yaklaşık 10000 kat daha büyük.

Moore'un yasa krizi

Büyük ölçekli devrelerin geliştirilmesiyle, transistor küçük ve küçük oluyor ve integral devrelerin sayısı geometrik düzeninde artıyor, fakat üretim süreci daha da zorlaşıyor. Bu teknik ve teknolojik engellerin üstüne geçmesi sadece bir sürü zaman ve araştırma gerekmez, ama aynı zamanda bir sürü başkent ve yatırım gerekiyor. Bu yüzden Moore'un kanunun zamanı da yavaş yavaş yavaş yavaşlıyor, hatta yakında tespit edilemez, ve Moore'un kanunun krizi boşalır (elbette, büyük değişiklik yoksa olamaz).

2012 yılında 22 nm sürecinden 14 nm sürecine kadar gelişmek için Intel'e yaklaşık 2.5 yıl sürdü. Bundan sonra 10 nm araştırmaları ve geliştirmesi problematik ve çok kez gecikti. 2019'e kadar ulaşılabilir. Ancak iyi haber, AMD 7Nm grafik kartı ve CPU 2019 yılında bulunacaktır (son makala "amd future product outlook..." bakın. Çünkü Moore'un yasası gerçek bir yasa değil, bir tahmin veya spekulasyon. Çip üreticileri hedeflerini ulaştırmak ve korumak için bağlı olmasına rağmen büyük zorlaştı.

2015 yılında Moore'un kanunun gelecek on yılda öleceğini düşünüyorum.

Kvantum tüneleme

Elektronik komponentler daha küçük ve daha küçük (nano ölçeki) oldukça, kvantüm özellikleri ve etkiler yavaşça görünüyor. Transistor boyutunu azaltmaya devam ettiğimizde, PN birliği yıkılma katmanın boyutunu da azaltıyor. Elektronların akışını engellemek için yıkım katı çok önemlidir. Araştırmacılar 5 nm'den az transistorların elektron akışını durduramayacağını hesapladılar. Elektronların yıkılması bölgesindeki tünelerin etkisi yüzünden. Tünellendirmeye neden elektronlar patlama bölgesini ve doğrudan "karşılaştırma" farkında olmayacak. Elektronların akışını durduramazsanız, transistor başarısız olacak.

Ayrıca, şimdi atomun boyutuna yavaşça yaklaşıyoruz. Teorik olarak atomdan daha küçük bir transistor inşa edemeyiz. Silikon atomların diametri yaklaşık 1 nm ve transistorlarımızın kapı boyutu yaklaşık 10 kat daha büyükdür. Kvantum etkisini düşünmeden bile? Ayrıca transistorların fiziksel sınırına ulaşacağız ve daha küçük olamayacağız.

Güncel ve ısıtma etkileri

Kvantum tüneleme ve fiziksel sınırlara da, küçük boyutlu transistorlerin ısınma etkisi olan iki çok sınırlı süreç sorunları var. Transistorlar küçük olduğunda, transistorlar, dış durumda bile "sızdırmak" olabilir. Aynı zamanda bazı akımların geçmesini sağlamak da imkansız. Buna sıçrama akışı deniyor. Eğer sızdırma akışını 100 Na'ya ayarlarsak, CPU'nun 100 milyon transistor varsa, sızdırma akışı 10A olacak. Bu bir kaç dakika içinde telefon batterisini boşaltır. Yüksek kapı voltajı sızdırma akışını azaltır ama bu daha sıcaklık etkisine yol açar. Bunu düşünmeden bile, her saat hesaplaması kendisi çok ısı tüketiyor. Yapıcılar bu özellikleri kullanıp bu etkileri engellemek için doğru yapmalılar. Bu süreç daha küçük ve daha küçük olduğunda süreç daha da zorlaşır.

Yüksek sızdırma akışı da karanlık silikon ve karanlık hafıza sorunlarına yol açabilir. Çipimizde bir sürü transistor olabilir olsa da, çoğu transistor, çipinin ısınmasını ve erişmesini engellemek için uzak kalmalı. Bütün bu devlet transistorları diğer komponentleri yerleştirmek için kullanılabilecek çok uzay alır. Bu soruyu soruyor: Gerçekten daha küçük olmamız gerekiyor mu, yoksa mevcut çip tasarımı geliştirmemiz gerekiyor mu?

Gelecek bakış

5nm tasarımı

Bütün bu faktörler, akıl yöneticileri ve uluslararası yarı yönetici teknoloji yol haritası, 5 nm ulaşabileceği sınır boyutu olabileceğini gösteriyor. 2021 yılında 5 nm tartışmasını yapacağını bekliyor. Ondan sonra ne bekleyebiliriz?

Dennard'ın değerlendirmesi Moore'un kanunun kardeş yöntemi olarak kabul ediliyor. 1974 yılında Robert Dennard tarafından geliştirildi ve transistor küçük olduğunda güç yoğunluğu azaldığını belirtti. Bu demek oluyor ki, transistorlar küçük olurken, işlemek için gereken voltaj ve ağırlık miktarı da azalır. Bu yasa, üreticilerin transistor boyutunu azaltmasına ve saat hızını tekrarlamaya büyük bir atlama ile artırmasına izin verir. Ancak 2007 yılında, Dennard'ın ölçüs ü bozuldu. Çünkü küçük bir boyutta sıçma akışı transistoru ısıtıp daha fazla kaybı üretecek.

Transistorlar küçük olmasına rağmen son on yılda CPU hesaplama oranı denard ölçek kazası yüzünden artmadığını fark edebiliriz. Yüksek saat hızındaki yüksek kaybı da akıllı telefon çiplerinin düşük saat hızını kullanmasının nedeni (genelde 1.5 GHz).

Kume'nin yasası.

Şimdiki çip uygulamasını ve daha iyi eğitim borusunu geliştirerek, çip performansını geliştirebiliriz. Stanford Profesör Jonathan Kumey koomey'in yasasını önerdi: 1.5 yıl her 1.5 yıl enerji joule'de hesaplama sayıs ı ikiye katlanacak. Bu durum, Landauer'ın prensipi ve basit termodynamik kanunlarının daha fazla gelişmesini engelleyeceği zaman 2048'e kadar devam edecek. Şu anda Landauer sınırlarının bilgisayar etkisizliği %0,00001'dir.

Çok çekirdek mimara

Tradisyonel programlama dilleri (Java, C+ + ve Python gibi) sadece tek bir aygıta çalışabilir. Fakat aygıtlar daha küçük ve daha ucuz oldukça, aynı programı aynı zamanda ya da paralel bir sürü çip üzerinde daha iyi performansı geliştirmek için çalışabiliriz. Bu konuda golang ve düğüm gibi diller daha önemli bir rol oynayacak.

Yeni materyal araştırma

Dünyadaki araştırmacılar daha yeni ve daha yeni bir şekilde daha küçük ve daha hızlı transistor yapmak için yeni ve daha yeni yollar arıyorlar. Galyum nitride ve grafin gibi materyaller daha hızlı değiştirme frekansında daha az kaybedeceğini kanıtlandı.

Kvantum hesaplama

Şu anda, mümkün çözüm, quantum bilgisayarları geliştirmek. D-dalga ve rigetti hesaplaması gibi şirketler bu alanda geniş çalışıyor. Daha önemlisi, qubitlerin yasasının genişlemesi henüz başlamadı. Denard skalamasını geçirmek yolu, performansını geliştirmek için bir çip içine daha fazla kablo koymak. Şu anda, quantum hesaplama büyük ihtimalleri gösterdi. Onun avantajı, çoklu eyaletleri (diğer bilgisayarlardan farklı 0 ve 1) olabilir. Şu anda, kuantum teknolojisine dayanan gerçek tesadüf sayı algoritmi gibi deneysel kvantum hesaplaması iyi sonuçlarına ulaştı.