Институт мировой экономики и политики
при Фонде Первого Президента Республики Казахстан - Лидера Нации
Архив старого сайта с 2004 по 2010 гг. Алматы, Каз
C -1..-3
Курсы НБРК на
$
P
prodengi.kz
Поиск по сайту

Журнал "Казахстан в глобальных процессах"

Макроиндикаторы

Основные показатели социально-экономического развития Республики Казахстан за январь – март 2013 года
Итоги социально-экономического развития Республики Казахстан в январе-декабре 2012 года
Итоги социально-экономического развития Республики Казахстан за 2011 год

Наши партнеры





Экономические и технологические эффекты закона Мура в компьютерной индустрии

31 мая 2013, 16:30

Рахматулин О.А., ИМЭП

31 мая 2013 года 

 

Закон Гордона Мура, если говорить строгим математическим языком, не относится к числу фундаментальных научных законов, физических или математических, на основе которых строятся уточненные  представления об окружающем  современном мире и его структуре.

 

Тем не менее, этот закон оказался очень эффективным инструментом  для прогнозирования  научно-технического прогресса в микроэлектронике. В чем же заключается основная сущность этого закона, почему  он продолжает действовать вот уже  в течение 48 лет, и есть ли у него определенные физические пределы?

 

Обратимся вначале к историческим фактам. 19 апреля 1965 года в журнале «Electronics» (т.39, №8) была опубликована статья директора Отдела разработок компании «Fairchild Semiconductors» Гордона Мура под названием «Объединение большего количества компонентов в интегральных схемах». В этой статье Гордон Мур выдвинул утверждение, что «количество элементов (транзисторов) на кристаллах электронных микросхем будет удваиваться каждые два года». Фактически это гипотетическое утверждение стало долгосрочным прогнозом развития микроэлектроники на ближайшие десятилетия.

 

Вскоре профессор Калифорнийского технологического института Карвер Мид, который является изобретателем метода проектирования электронных микросхем, назвал это эмпирическое наблюдение законом Мура (Moore’s Law), который и определил фундаментальный вектор развития электронных технологий.

 

Самое необычное, пожалуй,  заключается  в том, что в то время, когда Гордон Мур выдвинул свое эмпирическое утверждение, микроэлектроника находилась в фазе своего «детского развития». Первый транзистор был создан в 1947 году, а испытание первой интегральной микросхемы компании «Texas Instruments» произошло в сентябре 1958 года. Самая сложная микросхема компании «Fairchild» состояла всего из 64 транзисторов, поэтому говорить о каких-либо достоверных статистических данных в полупроводниковой отрасли еще никому не приходилось.

 

«Одна из главных причин создания интегрированной электроники, - писал Гордон Мур, – это снижение себестоимости, а эффект снижения  только увеличивается по мере того, как технология позволяет поместить все больше и больше возможностей  в одну микросхему».

 

В действительности, если рассматривать закон Мура через призму технологических процессов, то он базируется скорее исключительно на экономических аспектах. С одной стороны, каждое увеличение количества элементов в интегральной схеме требует использования новой технологии, нового оборудования и производственных зданий, определенного уровня развития компетенции персонала и его профессиональных навыков.  С другой стороны, все это требует существенных финансовых ресурсов. Более того, эти инвестиционные затраты должны окупиться и принести чистую прибыль, из которой будут финансироваться  уже новые научные исследования. Для этого естественно необходим определенный временной промежуток – примерно около полутора – двух лет, а дальше  вступают в силу объективные законы конкуренции.

 

Накопив опыт в разработке интегральных микросхем, в июле 1968 года Гордон Мур, Эндрю Гроув (его заместитель по отделу) и вице-президент корпорации «Fairchild Semiconductors» Роберт Нойс создают собственную компанию под названием Intel (сокращенно «integrated electronics», интегрированная электроника). Ознакомившись с бизнес-планом, представленным всего на одной странице, известный миллионер Силиконовой долины Артур Крок согласился вложить в венчурный капитал компании Intel 3 млн. долл. США.  В 1969 году компания разработала первый полупроводниковый модуль памяти, а в 1970 году  уже получила первую прибыль.

 

В 1971 году фирма Intel выпустила в продажу 4-разрядный микропроцессор Intel 4004, в котором содержалось 2300 транзисторов. В структуре микропроцессора Intel 8080, выпущенного в 1974 году, насчитывалось уже 5000 транзисторов. Микропроцессор Intel Pentium III, созданный в 1999 году по технологии с разрешением 180 нанометров (нм),  содержал уже 9,5  млн. транзисторов и имел 1199 выводных контактов. В 2000 году Intel представила микропроцессор Pentium  IV, изготовленный  по технологическим нормам 130 нм. Число транзисторов увеличилось до 42 млн., а число выводных контактов - до 1800. При этом площадь полупроводникового кристалла, на котором размещались транзисторы,  уменьшилась на  25-30%.

 

Сверхбольшая интегральная схема (СБИС) микропроцессора Intel® Itanium, поступившего на рынок в 2002 году, включала в себя  220 млн. транзисторов, а микропроцессор Intel® Itanium2 (2003 года выпуска)  содержал 410 млн. транзисторов. Новый четырехъядерный микропроцессор Intel Core2 Extreme, произведенный в 2007 году по 45-нм производственной технологии,  состоял уже из  820 млн. транзисторов.

 

В 2009 году фирма Intel выпустила в продажу двухъядерный микропроцессор Intel Core i5, произведенный по 32-нанометровой технологии.  Четырехъядерный микропроцессор  Intel Core i7 (Sandy Bridge), разработанный 2011 году, насчитывал  915 млн. транзисторов, размещенных на площади кристалла в  219 кв. мм.

 

Следовательно, за период с 1971 по 2012 год количество транзисторов, размещенных на монокристаллическом кремнии, увеличивалось примерно в два раза с допустимыми отклонениями каждые два года, что достаточно четко подтверждает эволюцию микроэлектронного производства по эмпирическому закону Мура.

 

Сегодня фирма Intel является системообразующей компанией в микроэлектронной промышленности США. Реализуя бизнес-модель «экономики знаний», Intel вкладывает значительные инвестиционные ресурсы в новые технологические знания и процессы, которые приносят еще большую долю прибыли, обеспечивая тем самым контроль над соответствующим сектором мирового рынка.

 

Инновационное  развитие  фирмы Intel  обусловлено беспрецедентным ростом объемов затрат на проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР),  с  2,7  млрд.  долл.  в  1997 году  до  11 млрд. долл. США в 2005 году. За восемь лет объем финансирования НИОКР фактически увеличился в четыре раза. Начиная с 2000 года, корпорация Intel инвестировала в средства производства и НИОКР более 40 млрд. долл. США.

 

Следует подчеркнуть, что именно эта основная триада (архитектура базовых  компонентов,  технологическое оборудование и технологические процессы), заложенная в основу бизнес-модели, позволяет фирме Intel  контролировать свыше 80% мирового рынка микропроцессоров.

 

Миниатюризация полупроводниковых интегральных микросхем и повышение их быстродействия стали возможны благодаря архитектурному решению, получившему название «масштабирование», которое придает компьютерным технологиям уникальные свойства.

 

Разработанная  еще в 1974 году Робертом Деннардом и его коллегами из компании IBM теория масштабирования, не только объяснила действие закона Мура, но и расширила сферу его применения, перенеся акценты с плотности упаковки логических элементов на увеличение производительности  интегральных микросхем.

 

Работая над полевыми транзисторами и МОП-структурами (металл-оксид-полупроводник), состоящими из металла и полупроводника, разделенными слоем оксида кремния, Деннард вывел условие, необходимое для соблюдения закона Мура. Суть этого условия заключалась в том, что если при уменьшении размеров транзистора удерживать постоянным значение напряженности электрического поля, то параметры производительности будут улучшаться. В процессе исследований Роберту Деннарду удалось показать, что МОП-структуры имеют огромный потенциал для масштабирования на микроуровне.

 

Отметим, что выполнение закона Мура путем масштабирования МОП-транзисторов практически обеспечивает максимальную экономическую эффективность микроэлектронного производства. Масштабирование имеет решающее экономическое значение для развития микроэлектроники. Чем меньше МОП-транзисторы, тем выше их быстродействие, тем меньше их потребляемая мощность, следовательно, выше надежность и ниже стоимость.

 

Эффект 1. Анализируя проявления закона Мура в усовершенствованных технологических процессах и микроэлектронном  производстве, можно сформулировать  следующее  эмпирическое следствие.

 

«Стоимость микроэлектронных фабрик по производству интегральных микросхем экспоненциально возрастает с усложнением технологических процессов и внутренней структуры микросхем».

 

Так, стоимость микроэлектронной фабрики, на которой фирма Intel производила микросхемы динамической памяти ёмкостью 1 Кбит, составляла 4 млн. долл. США, а стоимость завода F11X в Рио-Ранчо (шт.Нью-Мексико), на котором используется современная технология по производству  микропроцессоров на 300-мм подложках с использованием технологического процесса с проектной нормой 0,13 микрон,  достигла 2 млрд. долл.США.

 

Инвестиции Intel в создание кремниевой фабрики  Fab 32  в  Чандлере  (шт. Аризона) для производства микропроцессоров с проектными нормами в  45-нм на кремниевых пластинах  диаметром 300 мм составили свыше 3 млрд. долл. США. Затраты Intel в строительство кремниевого завода Fab 28, расположенного в Кирьят-Гате (Израиль), на котором внедрен 45-нм технологический процесс производства микропроцессоров, превысили  3,5 млрд. долл. США. На заводе Fab 28 производятся 300-миллиметровые  кремниевые подложки. Площадь одного стерильного (чистого) помещения завода составляет около 18 тыс. кв. м, что примерно равно площади футбольного поля.

 

Развитие микроэлектроники на первоначальном этапе происходило в основном за счет уменьшения минимальных размеров элементов (топологических норм), совершенствования конструкции и топологии микросхемы. Сегодня  развитие происходит в основном за счет уменьшения топологической нормы на 30% с каждым новым уровнем технологии. Переход от одного уровня технологии  к другому занимает примерно два года.

 

Какие проблемы существуют при переходе к новому более совершенному технологическому процессу?

 

Одной из таких «непреодолимых» проблем считалась невозможность дальнейшего уменьшения толщины подзатворного диэлектрика, что требовалось для сохранения емкости при уменьшении топологических размеров транзистора. Действительно, при 65-нм технологии толщина подзатворного диэлектрика составляет 1,2 нм (это примерно 5 молекулярных слоев), и дальнейшее уменьшение  толщины неизбежно приводит к резкому увеличению токов утечки.

 

Однако инженеры Intel решили эту проблему кардинальным способом. Они отказались от диоксида кремния в качестве традиционного материала диэлектрика, и перешли к новому компоненту – оксиду гафния  с существенно большей диэлектрической константой. В результате ток утечки был уменьшен более чем в 10 раз по сравнению с применением SiO2. Это позволило достичь требуемой емкости при приемлемой толщине диэлектрика.

 

Очевидно, что внедрение трёхмерной технологии (Tri-Gate) создания  транзисторов одновременно с  переходом на 22-нм технологическую норму, с уменьшением тепловыделения и увеличения производительности обеспечивает Intel существенные конкурентные преимущества перед другими  производителями интегральных микросхем.

 

Эффект 2. Несмотря на существенные  финансовые затраты на новое оборудование, полупроводниковые материалы и совершенствование технологических процессов, стоимость одного транзистора на  кристалле  современного микропроцессора стала примерно  в миллион  раз (!)  меньше средней стоимости транзистора интегральной микросхемы 40-летней давности, изготовленной на несложном оборудовании по достаточно простой  технологии.

 

Такой  феноменальный эффект обусловлен, прежде всего, массовым  производством и одновременной обработкой  большого  числа  транзисторов.

 

Вместе с тем уменьшение размеров транзисторов приводит  к увеличению размеров кремниевых пластин. Сегодняшние 12-дюймовые монокристаллические кремниевые пластины (300 мм в диаметре) в  ближайшие годы могут быть вытеснены уже 18-дюймовыми пластинами  (450 мм в диаметре). Чем больше диаметр кремниевой пластины, тем выше производительность микроэлектронной фабрики и ниже себестоимость изделий.  Переход от 200 мм к 300 мм пластинам позволил повысить производительность в 2,6 раза.

 

Выраженная тенденция создания более миниатюрных и легких изделий требует дальнейшего уменьшения размеров логических элементов. В настоящее время разработаны новые варианты упаковки элементов: в масштабе кристалла (Chip Scale Packaging); на уровне пластины (Wafer Level Packaging); упаковка нескольких  кристаллов на одной подложке; посадка кристалла  на кристалл, или трехмерная упаковка с интеграцией в подложку пассивных  компонентов.

 

Уникальность полупроводниковых компонентов состоит в том, что одновременно с увеличением количества транзисторов улучшаются многие параметры микропроцессорной технологии, в том числе  тактовая частота и производительность.

 

Например,  чтобы увеличить тактовую частоту микропроцессора Intel i486 с 25 МГц до 50 МГц, понадобилось целых три года. Сегодня разработчики фирмы Intel наращивают тактовую частоту со скоростью 25 МГц в неделю. Уже через несколько лет фирма Intel планирует увеличивать частоту микропроцессоров со скоростью 25 МГц в день.

 

Если принять тактовую частоту микропроцессора Intel 4004, равную 740 КГц,  за скорость пешехода, то частота в 2,7 ГГц  микропроцессора  Intel Core i5 будет соответствовать примерно скорости 50 тыс. км/ч, что в полтора раза выше второй космической скорости.

 

Эффект 3. Появление мультиядерных микропроцессоров, обусловленное решением  проблемы ограничений на напряжение питания и разработкой энергосберегающих структур, позволяет  несколько расширить закон Гордона Мура,  и сформулировать следующее эмпирическое следствие.

 

«Количество вычислительных ядер на кристалле СБИС микропроцессора будет удваиваться примерно каждые 18 месяцев или каждые два года».

 

Первые мультиядерные микропроцессоры появились в 2001 году.  Наиболее ярким представителем этого семейства стал двухъядерный микропроцессор Power4 фирмы IBM, содержащий в одном корпусе два 64-разрядных вычислительных ядра с динамическим  параллелизмом  на уровне команд и  потоков.

 

В 2004 году фирма Sun Microsystems разработала свой двухъядерный процессор UltraSPARC IV (Jaguar), произведенный компанией Texas Instruments  по 0,13-мкм технологии.

 

Однако, в мае 2005 года вслед за двухъядерным 64-разрядным микропроцессором Opteron компании AMD для серверных систем  фирма Intel выпустила в продажу двуяхъдерный  микропроцессор Pentium D с архитектурой x86-64 для персональных компьютеров, разработанный в израильском Центре исследований и разработок  Intel в Хайфе.

 

В качестве ответа на технологический вызов в ноябре 2007 года компания AMD выпустила четырехъядерный  микропроцессор  Phenom X4 с микроархитектурой K10.

 

В 2009 году на смену устаревшему семейству Intel Core 2 Duo пришли новые микропроцессоры Intel серий Core i3, i5 и i7 с архитектурой Sandy Bridge, изготовляемые по  32-нм технологическому процессу.

 

В ноябре 2011 года фирма Intel выпустила уже шестиядерный микропроцессор Intel Core i7-3960X на базе архитектуры Sandy Bridge-E с одновременной обработкой 12 потоков данных и с тактовой частой от 3,3 до 3,9 ГГц.  СБИС этого микропроцессора, произведенная по 32-нм технологическому процессу, содержит 2,27 млрд. транзисторов на  кристалле площадью 434,72 кв. мм.

 

В 2011 году фирма Intel разработала новую архитектуру Many Integrated Core для высокопроизводительных вычислений. Структура новых  микропроцессоров на ее основе будет содержать  более 50 вычислительных ядер, производимых по 22-нанометровому технологическому процессу.

 

Вместе с тем, физическим ограничением на дальнейший рост числа транзисторов может оказаться очередной предел геометрического разрешения в производстве интегральных микросхем. С учетом новейшей технологии литографии со сверхжестким ультрафиолетовым излучением этот барьер перемещается от 0,1 мкм до 0,05–0,03 мкм. При этом толщина подзатворного диэлектрика микроскопических полевых транзисторов, уже составляющая менее 5 атомных слоев, достигнет предельного значения в один атомный слой. Для сравнения, размер молекулярной цепочки ДНК  составляет 2,5 нанометров. Инженеры компании Intel с уверенностью говорят о создании  10-нанометрового технологического процесса к 2015 году.

 

В журнале «В мире науки» по поводу эволюционных эффектов закона Мура  было приведено такое интересное сравнение.

 

«Если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась также  стремительно, как промышленность средств вычислительной техники, то сегодня самолёт Boeing 767 стоил бы 500 долларов  и совершал бы облёт земного шара за 20 минут, затрачивая при этом пять галлонов (~18,9 л) топлива».

 

Наступит ли предел  действия закона Мура, определяющего эволюцию  микроэлектроники и производства сверхбольших интегральных схем микропроцессов?

 

Сам Гордон Мур много раз отмечал, что экспоненциальный закон развития не может действовать всегда, и наступит время, когда он должен достичь своего предела. Вместе с тем, существуют экономические и технологические пределы развития, причем первые всегда наступают раньше, чем вторые.

 

С одной стороны, пределы экономической эффективности определяются ростом спроса на различные наборы интегральных микросхем. Как правило, при снижении спроса функциональное действие закона Мура также замедляется. Однако, с другой стороны, увеличение издержек производства масштабированных транзисторов может привести к росту затрат и  увеличению удельной стоимости на функцию. Это приводит, в свою очередь, к ограничению возможностей по росту новых рынков микроэлектронных изделий.

 

Тем не менее, в лабораториях фирмы Intel уже сейчас ведутся исследования и разрабатываются идеи, которые будут воплощены в электронных чипах  через 10-15 лет.

 

Одним из таких перспективных направлений является спинтроника (от «электроники, основанной на спинах»), которая базируется на квантовых эффектах. В спинтронике для представления цифровой информации (нулей и единиц)  используется спин электрона. По существу, спин – это квантовая характеристика электрона, которая определяет его магнитные свойства, например, магнитный момент.

 

Вполне возможно, что спинтроника станет основой будущей архитектуры микропроцессоров, если удастся понять, как использовать эффекты и свойства спина в логических элементах.

 

Но тогда уже наступит время квантовых компьютеров.

 

 

 


 (голосов: 2)




Президент РК

Экспертное мнение

 

Фонд Первого Президента РК, Институт мировой экономики и политики являются сегодня заметными участниками общественной и научной жизни Казахстана. О сути и принципах их работы рассказывают исполнительный директор фонда Сагындык НУРАХАНОВ и директор ИМЭП при Фонде Первого Президента РК Султан АКИМБЕКОВ.

 

Подробности: КАЗАХСТАНСКАЯ ПРАВДА

24 декабря 2013, 18:50


Все новости категории

Публикации

Понедельник 15 апреля 2013 года оказался печальным днем для мировой экономики. Теперь самое главное, чтобы он в итоге не стал бы отправной точкой начала длительного спада, о наступлении которого пессимисты говорят уже довольно долго.
Султан Акимбеков 
30 мая 2013, 14:25
Категория находится в разработке, информация готовится к публикации 
27 октября 2010, 20:26

Календарь событий

«    Сентябрь 2017    »
ПнВтСрЧтПтСбВс
 
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
 
Все новости сайта