В последнее время немало говорят о том, что закон Мура (согласно которому количество транзисторов на кристалле интегральной схемы удваивается каждые два года), застопорился или даже вовсе перестал действовать. Причиной тому сильно задержанный релиз Intel процессоров с 10-нм литографией — изначально он был запланирован на 2015 год, но в конечном итоге перенесен на 2020.

И вот на днях наши коллеги из AnandTech подержали в руках полупроводниковую пластину Intel, изготовленную на базе 10-нм техпроцесса и содержащую процессоры с микроархитектурой новейшего поколения, Tiger Lake. По их прикидкам, процессор с этой пластины имеет площадь 146 мм². Из расчета заявленных Intel 100.8 млн транзисторов на 1 мм² получается, что общее количество транзисторов на кристалле процессора составляет около 14.7 млрд. Давайте попробуем оценить эти цифры на предмет выполнения закона Мура. Вот как выглядят характеристики дюжины процессоров Intel, начиная с самого первого:

ПроцессорГод выпускаКол-во транзисторовПлощадь кристалла400419712.3 тыс12 мм²800819723.5 тыс15 мм²808019746 тыс20 мм²80086197829 тыс33 мм²802861982134 тыс49 мм²803861985275 тыс39 мм²8048619891.18 млн81 мм²Pentium19933.1 млн294 мм²Pentium II19977.5 млн203 мм²Pentium III19999.5 млн128 мм²Pentium 4200042 млн217 мм²Core 2 Quad2007582 млн286 мм²Tiger Lake202014.7 млрд146 мм²

По закону Мура, если взять за основу выпущенный в 1971 процессор Intel 4004 и удвоение его 2.3 тыс транзисторов каждые два года, к 2017 получается 19.3 млрд транзисторов. Это число вполне сопоставимо с оценкой количества транзисторов на кристалле процессора с архитектурой Tiger Lake, который таким образом запаздывает на три года. А вот в 2019 и 2021 расчетное, по закону Мура, количество транзисторов достигает гораздо более крупных величин — 38.6 и 77.2 млрд. Впрочем, если бы процессор с 10-нм техпроцессом и микроархитектурой Tiger Lake имел площадь как у Core 2 Quad (286 мм²), то достигнутое Intel количество транзисторов (28.8 млрд) стало сопоставимым с ожиданиями на 2019, и тогда отставание составляет всего один год.

Что касается дальнейших перспектив, то плотность размещения транзисторов у 7-нм техпроцесса (процессоры с которым появятся не раньше 2023) оценивается в 237 млн/мм². Соответственно на кристалле площадью 286 мм² число транзисторов достигнет 68.8 млрд — что снова близко к расчетной величине Мура в 2021 году.

Таким образом, хоронить закон Мура преждевременно — максимум речь идет о его небольшом замедлении, да и то в отношении непосредственно Intel. Процессоры с эквивалентным Intel 10 нм техпроцессом TSMC 7 нм (91 млн/мм²) появились еще в 2018. В этом году им на смену (по меньшей мере в отношении мобильных чипов Apple) придет TSMC 5 нм. Правда, у последнего плотность размещения транзисторов меньше предполагаемого Intel 7 нм — она составляет 173 млн/мм², зато с опережением графика Мура в один год.

Уровень миниатюризации как таковой можно оценить по толщине токопроводящего ребра (fin width). Это самая маленькая размерность в транзисторной топологии, и она уже почти не меняется: 8 нм — в Intel 14 нм, 7 нм — в Intel 10 нм. Так же незначительно уменьшилась толщина затвора(gate length) — с 20 до 18 нм.

Вообще же главными параметрами, определяющими закон Мура, являются два следующих:

    шаг затвора, т.е. расстояние между соседними затворами (CPP)шаг межсоединения, он же минимальный шаг дорожек металлического слоя (MMP).

Собственно они, как стороны прямоугольника, и определяют площадь транзисторной ячейки. Для удвоения числа транзисторов на заданном кристалле их площадь должна сократиться вдвое, что означает уменьшение сторон транзисторной ячейки (CPP и MMP) до 70% от исходного размера (0.7 x 0.7 ≈ 0.5). И вот здесь изменения при переходе от 14-нм техпроцесса Intel к 10-нм уже более заметны: CPP уменьшился с 70 до 54 нм, MMP — с 52 до 36 нм. Получается 54/70 x 36/52, т.е. 0.77 x 0.69 = 0.534. Номинально это означает сокращение площади транзистора в 1.87 раз. Казалось бы налицо небольшое отставание от требуемого уменьшения в 2 раза, но если мы взглянем на динамику последних 15 лет, то там тоже все было не так радужно:

Техпроцесс90 нм65 нм45 нм32 нм22 нм14 нм10 нмГод выпуска2004200620082010201120142020CPP260 нм220 нм180 нм112.5 нм90 нм70 нм54 нмMMP220 нм210 нм160 нм112.5 нм80 нм52 нм36 нмCPP x MMP57,200 нм²46,200 нм²28,800 нм²12,656 нм²7,200 нм²3,640 нм²1,944 нм²Уменьшение площади транзистора1.24×1.6×2.28×1.76×1.98×1.87x

В том, что закон Мура приближается к своему пределу, мало кто сомневается — на каком-то уровне миниатюризации неизбежными становятся утечки тока. Пока с ними пытаются бороться при помощи применения новых транзисторных структур, например MBCFET. А главное производительность можно наращивать за счет объединения в один процессор нескольких кристаллов (чиплетов). Над подобными технологиями активно работает как Intel, так и AMD. Не будем сбрасывать со счетов и совсем уже оригинальные решения, вроде Cerebras WSE. Как рассказывал Gadgets News, он объединяет десятки чипов и триллион транзисторов непосредственно на полупроводниковой пластине диаметром 30 см.

Источник: gadgets-news.ru