Гонка техпроцессов и новых материалов. Есть ли будущее у микроэлектроники?

Один из основателей компании Intel Гордон Мур сделал в 1965 году эмпирическое наблюдение и в 1975 году скорректировал его. Согласно наблюдению, число транзисторов на микросхемах будет увеличиваться в два раза каждые 24 месяца. Исходя из этого рост вычислительной производительности будет расти экспоненциально. Уже в 2007 году Мур заявил, что закон скорее всего перестанет действовать, поскольку технология все ближе подходит к физическим ограничениям размера элементов и скорости света.

Сегодня всё чаще говорят о том, что размеры элементов микросхем подходят к своим минимальным пределам, а кремниевая полупроводниковая продукция не может дальше наращивать частоту работы. Последнее происходит ввиду роста токов утечки и чрезмерного нагрева элементов при повышении частоты.

Нагрев выше 90–95°C, в свою очередь, опасен ускоренной деградацией микросхем. Во-первых, происходит диффузия металла проводника в область полупроводника, в результате чего может нарушиться контакт. Во-вторых, происходит диффузия (проще — перемещение) легирующих примесей полупроводников из зоны с высокой концентрацией в зону с низкой. Это, в конечном итоге, приводит к неработоспособности транзистора.

В некоторых случаях выход из строя даже одного транзистора или токопроводящего элемента из миллиардов может привести к неработоспособности микросхемы.

Что с уменьшением технологического процесса?

Технологический процесс 3 нм, который сейчас осваивается ведущими производителями полупроводниковой продукции в мире — компаниями Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) и Samsung, предполагает использование транзисторов с кольцевыми затворами (FinFET GAA).

Обе компании столкнулись с серьезными трудностями при освоении производства новых транзисторов. Раньше TSMC планировала запустить опытное производство 3 нм в конце 2021 года, а на массовое выйти ко второй половине 2022 года. Теперь опытное производство будет начато не ранее 2022 года.

TSMC уже готовит технологию изготовления микросхем по 2 нм техпроцессу к 2024 году. Но уже в районе 1 нм начинают работать физические ограничения.

Повышение частоты может быть достигнуто с применением новых технологий и материалов.

7 января 2021 года на сайте американской компании Atomera было опубликовано сообщение о заключении сделки с неназываемой передовой компанией по производству полупроводниковой продукции, о планах по совместному запуску опытного производства на транзисторах, изготовленных по технологии Mears Silicon Technology (MST).

Технология предполагает введение атомарного слоя кислорода в полупроводник. Слой формирует кислородный барьер, который позволяет обеспечить более легкое протекание тока в заданном направлении и снизить токи утечки. Это способствует уменьшению тепловыделения и решает ряд проблем с температурно-возрастной деградацией микросхемы.

Если технология будет успешно освоена, она позволит уменьшить энергопотребление и немного поднять максимальную частоту микросхем. Насколько это повысит стоимость производства, пока неизвестно.

Увеличение числа ядер вплоть до гигантских размеров микросхемы.

Наращивать количество транзисторов микросхемы можно за счет увеличения числа вычислительных ядер. Центральные процессоры (CPU) для использования в персональных компьютерах и серверах сегодня содержат от 2 до 128 ядер. Графические адаптеры содержат тысячи и десятки тысяч более простых вычислительных блоков.

Специализированные микросхемы бывают и попросту монструозными. Американская компания Cerebras представила 18 августа 2020 года прототип нового нейропроцессора Wafer Scale Engine 2 с площадью кристалла 215×215 мм. Нейропроцессор содержит 850 тыс. вычислительных ядер, 2,6 трлн транзисторов. Его потребляемая мощность — 15 кВт.

Некоторые задачи, в частности, обработка графики, обучение и работа искусственных нейронных сетей, могут быть разбиты на большее число близких по вычислительной сложности «кирпичиков» и выполняться параллельно без избыточных обслуживающих затрат. В таких случаях наращивание числа ядер оправдывает себя.

В других задачах важна производительность одного ядра и в данном направлении дела обстоят намного хуже.

Применение специализированных блоков.

Большинство современных сложных вычислительных микросхем содержат различные блоки. Например, центральные процессоры уже нельзя назвать просто процессорами, это системы на чипе (СнЧ, SoC). СнЧ содержит в себе, помимо универсальных вычислительных ядер, множество интерфейсов ввода-вывода, быструю память, блоки аппаратной реализации часто используемых алгоритмов и многое другое.

В начале июня 2020 года Лаборатория компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (MIT CSAIL) выпустила статью с общими рекомендациями по изменению подхода к разработке программного обеспечения в связи с замедлением роста производительности аппаратной базы. Одна из рекомендаций касается оптимального применения аппаратных средств. Например, не стоит применять графические адаптеры для обучения нейронных сетей, поскольку они предназначены для обработки графики и оптимально работают именно на таких задачах.

Исследователи считают, что необходимо выделить ключевые алгоритмы, максимально их оптимизировать и реализовать на аппаратном уровне. Такие блоки должны быть включены в вычислительные комплексы. Для управления системой, запуска редко используемых и сложно реализуемых «в кремнии» алгоритмов должны использоваться универсальные вычислительные ядра, наподобие существующих ядер CPU.

Рекомендация не несет в себе нечто принципиально новое, она сдвигает фокус на целевое применение микросхем и аппаратную реализацию большего числа алгоритмов.

Впрочем, не все специалисты разделяют мнение исследователей CSAIL. Так, создатель операционной системы Linux Линус Торвальдс критиковал использование части площади микропроцессоров Intel на блоки AVX-512. «Я бы предпочел, чтобы транзисторы использовались для других вещей, которые гораздо более актуальны. Даже если это математика FP (floating point — вычисления над цифрами с плавающей запятой — прим. ИА Красная Весна). Или просто дайте мне больше ядер (с хорошей однопоточной производительностью, но без мусора, как AVX512), как это делает AMD», — заявил Торвальдс.

Спасут ли электронику новые материалы?

В электронику всё плотнее входят такие материалы, как карбид кремния (SiC), арсенид галлия (GaAs) и нитрид галлия (GaN). Производство продукции на их базе активно осваивается в Китае, на Тайване и в США.

Соединения галлия имеют лучшие характеристики, но для массового производства микросхем не подходят ввиду дороговизны. Они используются в оптоэлектронике, в частности, при производстве светодиодов и солнечных панелей, а также в мощных и компактных зарядных устройствах. Арсенид галлия склонен к выделению токсичных веществ в результате гидролиза, что не способствует широкому применению материала в бытовой электронике.

Карбид кремния заметно дешевле соединений галлия. И также показывает лучшие характеристики в силовых электронных элементах, чем кремний.

Таким образом, наиболее перспективные материалы последних лет используются в первую очередь в электронных схемах питания. Заметный рост полупроводниковой продукции на их основе возник благодаря росту производства электромобилей.

Кремниевая фотоника приносит новые скорости передачи данных. Но не без проблем.

В 70-х годах XX века начали появляться телефонные и компьютерные сети передачи данных на базе волоконно-оптических кабелей. Преимуществом оптической связи является куда более высокая частота работы и возможность передачи нескольких сигналов с разной длиной волны одновременно. Оптоволоконные линии связи работают в частотном диапазоне от десятков терагерц (10¹³ Гц) до десятков петагерц (10¹⁶ Гц).

Электронная связь не может работать на частотах выше единиц гигагерц. В связи с ростом скорости передачи данных между узлами вычислительного комплекса (компьютера), медные соединения, напрямую взаимодействующие с кремниевыми микросхемами, должны становиться всё короче и короче, либо включать в себя все большее число проводников. Снижение длины соединения позволяет поднять частоту, чтобы вписаться в скорость света. Увеличение числа проводников позволяет распараллелить передачу данных.

Оптические линии связи передают данные куда быстрее и, потому могут использоваться на большие расстояния, либо обеспечивать чрезвычайно высокие скорости внутренней передачи данных.

Еще в 80-е годы XX века начались эксперименты с комбинированными устройствами, в которых преобразователи сигналов из электронного в оптический и наоборот были бы размещены прямо на микросхеме. Первые коммерческие результаты были получены лишь в 2016 году. Это относительно молодое направление, но уже очень востребованное.

Основная потребность в интеграции оптической связи в электронику возникла у крупных центров обработки данных (ЦОД). Такие решения помогут упростить архитектуру вычислительных систем ЦОДов. В частности, вынести задачу постоянного хранения данных полностью на накопительные системы, убрав один из слоев кэширования на быстрых постоянных накопителях, размещенных прямо в серверах. Кроме того, проще увеличивать линейные размеры ЦОДов, выполняющих одну задачу.

В высокопроизводительных рабочих станциях высокоскоростные линии внутренней передачи данных тоже постепенно становятся востребованными. Но пока задача еще решается медными проводниками. С коммуникацией внутри одной микросхемы, видимо, еще долго будут справляться медные проводники.

У данного направления пока много нерешенных проблем. В том числе по причине разных размеров элементов — оптические узлы и преобразователи значительно крупнее полупроводниковых элементов.

Что в итоге?

Основные открытия и решения последнего времени обеспечивают или обеспечат ликвидацию узких мест вычислительных систем и большую свободу в выборе архитектуры их построения. Ожидается дальнейшее повышение энергоэффективности, появление большего числа специализированных узлов микросхем и целых чипов.

Линейной гонки частоты и миниатюризации транзисторов без принципиально новых открытий в ближайшее время не предвидится.