Skip to content

14.02.2016

БУДУЩЕЕ, КАК ГРЯДУЩЕЕ И ПРЕДСТОЯЩЕЕ

Релиз в Лас-Вегасе принес одну знаковую новость. Дело в том, что конструкция представленных процессоров впервые серьезно нарушила так называемый «закон Мура». Согласно ему количество транзисторов как функциональных единиц в микросхемах должна была удваиваться каждые 24 месяца. И именно во второй половине 2016 ожидался очередной скачок удвоения. Однако продемонстрированные в Лас-Вегасе процессоры так и не преодолели этот рубеж. Количество транзисторов осталось примерно таким же, что и в передовых процессорах предыдущего поколения, только с некоторым улучшением конструкции. Более того, согласно последним новостям Intel не планирует делать удвоение (а только ограничится очередным улучшением конструкции) даже в своем следующем релизе, запланированном на конец 2017 года.

Безусловно, такая новость не предвещает ничего хорошего для всех тех, кто надеялся в новом году приобрести себе гораздо более продвинутый по мощности гаджет. Но не только. Вся современная глобальная экономика — от облачных мультимедиа-сервисов до координации логистических звеньев — завязана на вытягивании и обработке данных о поведении рядовых пользователей, так называемом big data. И хотя эта индустрия зашла за полдюжины лет уже достаточно далеко, без дикого галопа «закона Мура», который обеспечивал ее нарастающие аппетиты надлежащими вычислительными мощностями, ей придется сложно.
Это также явление, которое ставит под вопрос один из главных глобальных экономических двигателей современности — обработку больших данных, и повлияет на социально-экономическую ситуацию во всем мире. Что именно это за влияние и какое будущее оно нам несет? Об этом подумаем позже. А сначала давайте немного вникнем в вопросы возникновения и функционирования «закона Мура», чтобы лучше понять причины и последствия текущего ухода от него.

Тик-так

«Закон Мура» появился на свет почти сразу с микроэлектроникой. В 1965 году через шесть лет после изобретения первой микросхемы Гордон Мур, один из будущих основателей Intel, а тогда инженер передовой компании отрасли Fairchild Semiconductor, заметил закономерность: новые микросхемы появлялись примерно каждый год, причем количество транзисторов в них каждый раз была примерно в два раза больше. В 1975 году он, уже как президент Intel, внес коррективы в свой «закон» — количество транзисторов должно удваиваться каждые два года, а не один. Поправка на замедление заключалась в росте значения микропроцессоров: их производство сопряжено с гораздо более сложными схемами строения, а потому требовало больше времени.


            Одна из популярных интерпретаций «закона Мура». Хотя в оригинале он был выдвинут только для полупроводниковых микросхем, но здесь его действие распространяют в прошлое к возникновению транзисторов. А также к новым неполупроводниковым основам в будущее, где он якобы должен привести к достижению мощности человеческого мозга.

Конечно, никаким законом утверждение Мура не было. Его первые эмпирические наблюдения над ранними шагами микроэлектронной индустрии были наверное всё же аутентичными. Но уже вскоре он, очевидно, просто применил их к своему детищу — Intel. Выгода была очевидна. Вскоре после открытия его «закона», в 1972 году, была выявлена еще одна (на этот раз настоящая) эмпирическая закономерность: при уменьшении габаритов транзисторов в микросхеме они потребляли меньше энергии и работали с большей тактовой частотой. Поэтому минитюаризация своей микроэлектронной продукции, кроме большего количества транзисторов, давала еще и дополнительные инженерные преимущества перед конкурентами и становилась действительно прибыльной затеей. Именно поэтому «закон Мура», взятый на вооружение в длительном планировании компаниями типа Intel, заиграл в такт рыночной соревновательной логике.

Уже в середине нулевых годов, когда среди участников марафона остались лишь единицы, компания Intel наглядно продемонстрировала свой лидерский темп, который почти с самого начала задавала остальным. Весь такт производства процессоров был формализован в так называемой тик-так стратегии. Суть стратегии была вполне очевидной с точки зрения «закона Мура». Во время первого такта — «тик» — технологический процесс изготовления микросхем минитюаризовывался, в результате чего в процессоре помещалось большее количество меньших по размеру транзисторов. То есть, по сути, происходило то же пресловутое удвоение. Во время же второго такта — «так» — использовался уже имеющийся технологический процесс, но оптимизировалась сама микроархитектура (точность изготовления, снижение утечек тока и т.д.). В результате этого, для одного и того же количества транзисторов в процессоре удалось достигать еще и дополнительного увеличения вычислительной мощности. Такты чередовались по году, так что полный тик-так цикл как раз и отвечал двухлетнему циклу «закона Мура». За это время на рынок выводились сначала меньшие по размеру, а потом и более качественные транзисторы, цена на единицу которых падала с каждым тактом.

Безупречная, на первый взгляд, модель проработала, однако, в полной мере недолго. Уже на четвертом «тик» такте в 2012 году выход новой архитектуры Ivy Bridge был несколько отложен. Intel объяснил это возникновением определенных сложностей с переходом на технологический процессор с разрешением в 22 нм. То же произошло и на следующем «тик» такте, когда в 2014 году при переходе к текущему технологического процесса в 14 нм с архитектурой Broadwell также повторились похожие задержки. Однако уже в следующем году летом Intel анонсировал настоящую сенсацию: перехода к новой 10-нм технологии, что планировался на вторую половину 2016 года не будет. Его отложили из-за неожиданных технических проблем, а вместо того уже по схеме тик-так-так (как еще один «так» такт с улучшением микроархитектуры без изменения техпроцесса) на свет появится уже известная нам 14-нм-технология Kaby Lake. И хотя при этом представители Intel уверяли в своей дальнейшей верности тик-так цикла, его дальнейшее соблюдение действительно стало под вопрос. Дело в том, что с каждым очередным рывком «закона Мура» ему все большее сопротивление оказывают два серьезных препятствия — технологическое и экономическое. О них мы и поговорим далее.

Отсрочивая вечность

Размер единичного транзистора в современных микросхемах чрезвычайно мал. 14 нм — разрешение, которое сейчас обеспечивает лучший техпроцесс — всего лишь 26 атомных слоев кремния. Это настолько мало, что не поддается сравнению не то что с какой-то бактерией или вирусом, но даже с длиной волны видимого света. Все это приводит к тому, что при фотолитографии для вытравки транзисторов нужного размера на заранее обработанной кремниевой пластине используется специальный экстремальный ультрафиолет с длиной волны лишь в 13,5 нм. Но и это еще не все. Помещения, в которых изготавливают микросхемы должны быть абсолютно стерильными. На один кубический метр воздуха должно приходиться не более 3 (!) пылинок, ведь своими размерами они практически в сотни раз превышают транзисторы на микросхемах. Именно поэтому во всех так называемых «чистых комнатах», где производятся микросхемы, постоянно работают особые кондиционеры, которые вылавливают мелкие инородные тела из воздуха. В свою очередь, немногочисленные сотрудники, допущенные в такие комнаты, обязаны постоянно носить там специальную герметичную одежду. Но все эти и еще многие другие инженерных ухищрение стоят хлопот. Они были разработаны тернистым путём длиной в полвека, который постоянно велся позади бравады «закона Мура».

Однако смогут ли такие усилия успешно осуществляться и дальше? Чисто гипотетически, да. Логический предел для текущего подхода к развитию электроники — миниатюризации — это выход на единичный атом. Величина атома кремния составляет 0,132 нм. Поэтому, исходя из текущего 14 нм техпроцесса запаса для миниатюризации должно было хватить еще на несколько десятков лет, пока не будет создан идеальный атом-транзистор. Но на практике серьезные инженерные трудности возникают значительно раньше.

С уменьшением размеров транзисторов до молекулярного уровня (десятка нанометров) пропорционально уменьшается число электронов, задействованных в переносе тока. Вплоть до того, что на каждое переключение транзисторов приходится лишь несколько десятков или сотен носителей заряда. В результате, поведение той горстки электронов, что остается на проведение сигнала, начинает все меньше действовать по классическим физическими законами «большого» макроскопического мира, основанными на усреднении по огромному количеству носителей. Зато, единичные электроны в своих крошечных масштабах следуют квантовым законам. Например, они могут просто «не заметить» замыкающего транзистора и продолжить сигнал там, где его не должно быть. Или наоборот оказаться в другом месте и привести к ослаблению сигнала. В результате, такие квантовые эффекты приводят к существенному росту «шума» и утечек тока уже даже на сегодняшних молекулярных масштабах транзисторов.

Стоит отметить, что Intel сам признает эту проблему. Однако его официальный подход к ней созвучен заголовке статьи Гордона Мура, опубликованной в 2003 году: «Никакая экспоненциальность не вечна: но «вечность» может быть отсрочена» («No Exponential is Forever: But» Forever «Can BeDelayed!). Инженерные решения для такой отсрочки действительно находятся.

Еще с техпроцесса на 22 нм был внедрен так называемый 3D-подход. Он заключался во введении новой, вертикальной конструкции срединной части транзистора, которая позволяла уменьшить негативные квантовые эффекты (такие как утечки тока). Другим перспективным подходом, который сейчас только апробируется, могут стать определенные комбинации кремния с другими материалами. Они позволяют добиться новых результатов в минимизации негативных квантовых эффектов, чем делают возможным дальнейшую миниатюризацию транзисторов. Именно таким образом, использовав кремниево-германиевую основу, компании IBM еще в 2015 году удалось создать первую экспериментальную микросхему по 7-нм-технологии. Но даже по официальным оценкам Intel подобные ухищрения без кардинального изменения подхода возможны только до уровня техпроцесса в 5 нм. И хотя недавние новости о экспериментальном создание транзисторов с техпроцессом в 1 нм показывают еще более широкие горизонты для «отодвигания вечности», энтузиазма от этого не прибавляется. Ведь ни Intel, ни новоиспеченные создатели малейшего транзистора не упоминают в своих прогнозах еще одного важного осложняющего фактора. Настолько важного, что он может прекратить развитие транзисторов даже раньше «предельных» 5 нм. И это ведет нас к другой, экономической причине исчерпания «закона Мура».

Русская рулетка кремниевых магнатов

Вместе с «законом Мура» в 1960-х также был выдвинут другой, не такой известный «закон Рока». Ранний инвестор Intel, Артур Рок, заметил другую, противоположную Муровой эмпирическую тенденцию: стоимость фабрик («фабов») по производству микросхем растет каждые четыре года. Этот второй «закон Мура» (как его тоже часто называют) фактически был экономическим следствием из первого. Поэтому неудивительно, что Intel, следуя доктрине об удвоении транзисторов все 50 лет, следовал и доктрине Рока об удвоении стоимости их производства. В результате, если стоимость фаба, на которой корпорация Intel производила микросхемы динамической памяти емкостью 1 Кбит, составляла лишь 4 млн. долларов, то Fab42, завод по производству процессоров на базе 14-нм техпроцесса, стоил уже 5 млрд. долларов. И это еще не предел.

Разумеется,»закон Рока» влиял на стоимость производства не только Intel, но и всех других конкурентов по гонке. Фактически, он означал постепенное отсеивание многих производителей с рынка — далеко не все могли потянуть все более высокие уровни капитальных затрат. Как метко подметил Роберт Палмер, директор одной из компаний-аутсайдеров, которая выбыла из гонки в середине 90-х: «Создание полупроводниковых приборов — это как играть в русскую рулетку. Вы приставляете пистолет к голове, нажимаете на спусковой крючок и через четыре года выясняете, разорвутся ли ваши мозги«. Впрочем Intel удавалось использовать этот мрачный азарт в своих интересах. Секрет был прост — умеренность. В то время как более мощные и более именитые конкуренты вкладывали деньги в разработки процессоров с нестандартными и передовыми решениями, Intel просто держался муровской линии удвоения транзисторов и выполнял только необходимые архитектурные изменения для реализации этого. Таким образом, теперь мало кто может вспомнить имена многообещающих процессоров от Fairchild Semiconductor или Motorola, которые оказались коммерчески неуспешными. Зато Intel двигался дальше, минимизируя свои финансовые риски.

Сперва в начале 80-х их процессоры стали основными для IBM PC. Простая и открытая x86-архитектура этих персональных компьютеров оказалась крайне успешной. Поэтому уже вскоре вместе с ней процессоры Intel начали занимать значительную часть рынка. Затем с начала 90-х был длительный этап конкуренции с компанией AMD — другим производителем процессоров для архитектуры х86. Справиться с ней Intel смог лишь в середине нулевых, используя тот же метод, что и раньше.

Все это однако, не лишало Intel необходимости дальше играть в русскую рулетку и запускать все более дорогие и рискованные технологические процессы. Впрочем, компания оставалась верна своей успешной рыночной стратегии умеренности. Ее затягивание 2012 года по 22-нм техпроцессу и 2014 по 14 нм хорошо объясняются такой осторожной неспешностью. Если конкуренты существенно отстали, то почему бы не подставлять инвестиционный револьвер для новых рывков к голове несколько медленнее? Пунктуальное выполнения темпа «отсрочки вечности» Мура теряло свой экономический смысл.
</span>

Это всего лишь первая часть очень большой статьи (я ее даже несколько сократил — но материал все равно очень большой). так что дробление на части вызвано естественными причинами.

Это часть констатирующая — закон Мура в рамках модели Интел подошел к физическому и и экономическому пределу. В рамках прежних концепций продолжать в том же темпе невозможно. И с фактической частью трудно спорить.

Вторая часть посвящена анализу возможных последствий. И она на мой личный взгляд не столь бесспорна. Тем не менее, я ее опубликую в ближайшее время

В сумерках «закона Мура»


« »

Share your thoughts, post a comment.

(required)
(required)

Note: HTML is allowed. Your email address will never be published.

Subscribe to comments