Аналитик Linley Group Дэвид Кантер считает, что Intel продолжит уменьшать размеры транзисторов в своих процессорах за счет использования экзотических материалов и новой структуры транзисторов.

В настоящее время корпорация Intel выпускает чипы на основе 14-нанометрового производственного процесса, готовясь перейти на 10-нанометровый процесс в конце текущего или начале следующего года. Эти размеры имеет самый маленький элемент схемы, вытравливаемой на каждом чипе, а чем меньше размеры элементов, тем быстрее работает процессор и тем меньше он потребляет электроэнергии.

Новые технологии позволят Intel продлить действие закона Мура, которому недавно исполнилось уже 50 лет, по крайней мере до момента перехода на 7-нанометровый производственный процесс. А это, по оценкам Кантера, должно состояться в 2017-м или 2018 году.

Согласно закону Мура, плотность размещения транзисторов удваивается примерно через каждые два года, что позволяет делать процессоры все более быстрыми и дешевыми. Но когда размеры транзисторов станут сравнимы с размерами атомов, задачи, связанные с утечками тока и управлением энергопотреблением, заметно усложнятся.

Intel представила транзисторы с диэлектриком high-K и металлическим затвором, использующие напряженный кремний и изготовленные по технологии FinFET (Fin Field Effect Transistor — транзисторы с вретикальной структурой затвора), когда элементы располагаются не в одной плоскости, а имеют трехмерную структуру, выстраиваясь друг над другом. Все это должно продлить действие закона Мура.

По прогнозам Кантера, в ближайшие годы кремний будет применяться в сочетании с напряженным германием или с арсенидом индия и галлия. Таким образом, начнут использоваться материалы, находящиеся с третьего по пятый столбцы периодической таблицы химических элементов.

В конечном итоге эти материалы должны прийти на смену кремнию, поскольку они обладают более высокой проводимостью. На начальном же этапе они будут применяться совместно с ним. Intel уже сейчас использует в своих процессорах альтернативы кремнию, в частности гафний.

В будущих чипах, вероятно, появятся транзисторы с новой структурой затвора, построенной на основе технологии Quantum-Well FET (QWFET), проектированием которой Intel занимается на протяжении почти десяти лет. Электроны здесь с каждой стороны занимают промежуточное положение между материалами, относящимися к группам с третьей по пятую периодической таблицы. Тем самым обеспечивается движение электронов в нужном направлении. Поведение заряда строго контролируется за благодаря правильной геометрии и используемым материалам, в результате чего транзисторы работают лучше.

В Intel исследования Кантера комментировать отказались, поделившись, однако, информацией о жизнеспособности QWFET и материалов, которые находятся в группах с третьей по пятую, а также о перспективах разработки процессоров на новой транзисторной структуре.

По словам Кантера, использование новых, перспективных технологий – лучший способ увеличения числа транзисторов в процессоре.

Среди других востребованных производственных решений можно отметить литографию в «глубоком ультрафиолете» (extreme ultraviolet, EUV). Но инструментов для ее использования пока не предлагается, поэтому в Intel применяют другие технологии, помогающие уменьшить число дефектов (например, тройной шаблон). Следует напомнить, что попытка перехода на 14-нанометровый процесс привела в свое время к задержкам поставок процессоров для ПК, мобильных устройств и серверов.

Опубликовать свой прогноз Кантер решил потому, что отраслевые аналитики, на его взгляд, должны, не ограничиваясь расплывчатыми догадками, давать конкретные оценки, учитывающие внутреннее положение дел. «Неаргументированное заявление о том, что новая производственная технология будет лучше старой, на самом деле ни о чем не говорит», – подчеркнул он.

«На практике переход Intel и других компаний на 10- и 7-нанометровую производственную технологию займет месяцы и годы, – указал Кантер. – Но обоснованные прогнозы обещают породить интересную дискуссию».

«Вся наша работа направлена на то, чтобы закон этот просуществовал как можно дольше», – заявил Брайан Кржанич.

В следующем году закону Мура исполняется 50 лет, и в Intel намерены отметить это событие.

Закон Мура базируется на наблюдениях одного из основателей Intel Гордона Мура, который предположил, что число транзисторов в микросхемах будет удваиваться через каждые два года и это позволит соответствующими темпами увеличивать производительность процессоров и обеспечивать выполнение ими новых функций. В Intel всегда руководствовались законом Мура, сформулированным в 1965 году, в качестве ориентира для оценки перспектив роста числа транзисторов в чипах и уменьшения их габаритов и стоимости. (Более того, со временем специалисты указали, что прогресс в полупроводниковых технологиях идет еще быстрее, и число транзисторов в микросхемах удваивается каждые 18 месяцев. — Прим. ред . )

Но размеры процессорных элементов начинают приближаться к размерам атомов, и, по мнению многих инженеров и ученых, уже вскоре закон Мура исчерпает себя. Как отмечают в Intel, новейшие процессоры корпорации отличаются еще более высокой производительностью и экономичностью, что позволяет экономить средства в полном соответствии с законом Мура, но в дальнейшем направления развития производства и конструкторские решения потребуют пересмотра.

В последнее время в Intel анонсировали новые процессоры ежегодно, а новые производственные процессы внедрялись раз в два года. Однако с переходом на 14-нанометровую технологию (самую совершенную в отрасли) у компании возникли определенные трудности. Для того чтобы освоить 14-нанометровый производственный процесс в полном объеме, Intel понадобилось два с половиной года.

«Первые чипы, выпускаемые по 14-нанометровой технологии, появились в начале текущего года, однако добиться ожидаемых результатов нам удалось только сейчас, – отметил генеральный менеджер Intel Technology and Manufacturing Group Билл Холт. – В настоящее время с производством чипов, разрабатывавшихся под кодовым наименованием Broadwell и изготавливаемых по 14-нанометровой технологии, никаких проблем нет, но после ошибок, выявленных на начальном этапе, нам еще не удалось полностью восстановить объемы. На уровень, который был достигнут при использовании 22-нанометровой технологии, мы планируем выйти в начале 2015 года. Технология с нормой проектирования 22 нм принесла нам самую большую отдачу за все время существования корпорации. Планка сегодня поднята очень высоко. И это естественно, ведь при попытке сократить затраты нужно сделать так, чтобы все остальные параметры были по крайней мере не хуже, чем у предыдущего поколения».

Пока же для Intel, которая известна тем, что всегда укладывалась в заданные сроки, ситуация остается ненормальной. Проблемы с производством процессоров Broadwell привели к задержке выпуска мобильных компьютеров и планшетов. Первые планшеты и гибридные компьютеры с процессорами Broadwell только начинают заполнять полки магазинов, а в ноутбуках, ориентированных на массового потребителя, они появятся лишь в начале следующего года.

Intel пытается преодолеть трудности, возникшие на начальном этапе производства процессоров с использованием 14-нанометровой технологии, и оценивать ближайшие перспективы. На осенней конференции Intel Developer Forum о проблемах с Broadwell ничего не говорилось, а корпорация представила архитектуру следующего поколения Skylake, которая также базируется на 14-нанометровом производственном процессе, поддерживая в то же время беспроводные технологии и улучшенную графику.

При этом рынок ждет от Intel определения производственных приоритетов. В условиях спада на рынке ПК корпорация стала выпускать больше мобильных процессоров, для которых параметры энергопотребления важнее производительности. Это привело к изменению подходов, которых придерживалась Intel. Сегодня корпорация делает ставку на однокристальные системы, в которых вычислительные блоки и модули беспроводной связи интегрированы в одном чипсете.

По словам Кржанича, транзисторы надо продолжать совершенствовать, но в зависимости от выбранных приоритетов действие закона Мура можно продлевать различными способами. Потребителям нужен баланс между стоимостью, производительностью и энергопотреблением.

Подход Intel к закону Мура основывался на уменьшении стоимости транзистора, которая по мере создания все более миниатюрных чипов продолжала снижаться. При переходе на 22-нанометровый производственный процесс корпорация представила новую конструкцию процессора, в которой транзисторы располагались друг над другом. В 14-нанометровой технологии эта тенденция была продолжена, а размеры чипов стали еще меньше.

«При переходе на 14-нанометровый процесс мы опустились чуть ниже уровня тренда на снижение стоимости по сравнению с предыдущим производственным процессом, если принимать во внимание закон Мура», – отметил Холт.

В конструкции процессора в Intel уменьшили расстояние между диэлектрическими ребрами транзистора, а также размеры внутренних соединений, благодаря чему отдельные блоки чипа стали теснее прилегать друг к другу. Вместе с тем существенного уменьшения затвора транзистора и ячеек памяти SRAM не произошло.

Критики закона Мура говорят о том, что расширять функционал процессоров при неуклонном уменьшении их размеров становится все сложнее. Растет число разнообразных дефектов, а производителям при проектировании и изготовлении процессоров все больше внимания приходится уделять деталям.

Intel рассматривает возможность внедрения новых технологий (в частности, технологии EUV – extreme ultraviolet lithography), которые помогут выпускать чипы еще меньшего размера. Возможен переход к 450-миллиметровым подложкам, при использовании которых процессоры будут обходиться дешевле. Исследователи из Intel изучают также материалы, которые могли бы заменить кремний.

На смену 14-нанометровой производственной технологии придут технологические процессы с нормой проектирования 10 и 7 нм. Когда появятся первые процессоры, изготовленные по таким технологиям, еще неизвестно, но пока закон Мура по-прежнему актуален.

«Мы вполне уверены в том, что сможем сдержать все свои обещания в отношении закона Мура», – подчеркнул Холт.

Корпорация IBM в ближайшие пять лет планирует выделить 3 млрд долл. на поиск новых материалов для изготовления процессоров. В IBM намерены переосмыслить компьютерную архитектуру и оценить перспективы, в которых, возможно, кремниевым чипам места уже не останется.

Новая инициатива должна открыть дорогу квантовым и когнитивным компьютерам, имитирующим функциональность мозга.

Возможности кремниевой архитектуры исчерпали себя, и дальнейшая миниатюризация элементной базы близка к своему пределу

«Базовая архитектура компьютеров остается неизменной с 40-х годов XX века, – отметил руководитель направления физических исследований в IBM Research Супратик Гуха. – Учитывая весь груз проблем, с которыми производителям приходится сталкиваться сегодня, мы чувствуем, что настала пора искать новые формы компьютеризации».

Возможности кремниевой архитектуры исчерпали себя, и дальнейшая миниатюризация элементной базы близка к своему пределу. Сегодня в IBM изучают возможности графена, углеродных нанотрубок и других материалов, способных прийти на смену кремнию, и пытаются создавать микросхемы, размеры которых можно будет уменьшать до атомного уровня.

Анонс IBM прозвучал через месяц после того, как о переосмыслении базовой архитектуры компьютеров объявила компания Hewlett-Packard.

«Цель IBM заключается в том, чтобы подготовить строительные блоки для систем, которые смогут осуществлять интеллектуальную обработку больших объемов данных, потребляя при этом значительно меньше электроэнергии, – пояснил старший вице-президент подразделения систем и технологий IBM Том Розамилиа. – Такие компьютеры могли бы помочь в изучении онкологических заболеваний, моделировании погоды и создании более интеллектуальных облачных сервисов. Разнообразные ускорители, к числу которых относятся, например, графические процессоры, повышают производительность компьютеров в краткосрочной перспективе, однако дальнейшее увеличение плотности размещения элементов в кремниевых процессорах, необходимое для дальнейшего роста производительности и снижения энергопотребления, представляет собой гораздо более сложную задачу. В определенные исторические моменты отрасль должна совершать скачок от одной технологии к другой. И если мы не начнем изобретать новые решения прямо сейчас, никто за нас этого не сделает».

В IBM уже сейчас активно занимаются квантовыми компьютерами и компьютерами, работающими по принципу мозга. Соответствующие теоретические положения разрабатывались на протяжении десятилетий, однако реализовать их на практике оказалось весьма затруднительно. Компьютеры нового типа должны базироваться на совершенно иной архитектуре по сравнению с машинами, используемыми сегодня. Соответственно, возникает вопрос, какой из предлагаемых архитектур следует отдать предпочтение.

IBM сопоставляет и объединяет различные технологии, подготавливая строительные блоки для новых компьютерных систем.

«Некоторые сочетания сумеют доказать свою эффективность и будут использоваться на протяжении многих лет, – указал Розамилиа. – Планировать все нужно на долгие годы вперед. И мы очень серьезно к этому относимся».

Первые результаты исследований, очевидно, можно будет наблюдать в области высокопроизводительных вычислений, но в конечном итоге они найдут отражение и в портативных и настольных компьютерах. Впрочем, какие-то конкретные временные рамки Розамилиа назвать затруднился.

Инвестиции растут по мере того, как действие закона Мура близится к своему завершению. Много лет назад один из основателей Intel Гордон Мур заявил, что число транзисторов в интегрированных схемах будет удваиваться через каждые два года. До сих пор сформулированный им закон не терял своей актуальности, но ожидается, что уже в следующем десятилетии его действие прекратится. Инженеры пересматривают процессорную архитектуру, стремясь добиться дальнейшего увеличения роста производительности. И чем меньше становятся чипы, тем большую важность приобретает эта задача. Intel уже готовится организовать производство с нормой проектирования 14 нм, а в ближайшие годы норма проектирования должна уменьшиться до 10 нм.

Процессорная революция произошла в 1950 году, когда ученые начали использовать очищенный кремний, но расширять функционал при переходе к 7-нанометровому производственному процессу становится все труднее, поскольку отрасль уже приближается к атомному уровню.

«Чем мы будем заменять существующие технологии на этом рубеже, пока неясно», – признался Гуха. – Углеродные нанотрубки, представляющие собой цилиндры из атомов углерода, считаются сегодня наиболее вероятной заменой кремнию. Исследователи из IBM постепенно уменьшают размеры углеродных нанотрубок, но при этом все острее встают вопросы охлаждения. В последнее время участились споры и в сфере безопасности. Тем не менее, все сходятся на том, что решить технические проблемы вполне возможно".

Для разработки квантовых компьютеров и компьютеров, функционирующих по принципу мозга, требуются дальнейшие исследования поведения компьютеров.

IBM проектирует компьютеры, моделирующие функциональность мозга, в рамках программы SyNAPSE. Мозг обрабатывает информацию, которая параллельно поступает в него через триллионы соединений, называемых синапсами. В 2011 году в IBM продемонстрировали нейронный чип с программируемыми и обучаемыми синапсами, которые обеспечивали возможности навигации и распознавания образов. Сегодня цель IBM заключается в построении нейронного чипа, имитирующего работу человеческого мозга. При наличии 10 миллиардов нейронов и 100 триллионов синапсов он будет потреблять всего один киловатт электроэнергии.

Сердцем квантовых компьютеров являются квантовые биты (кубиты), в которых хранятся значения нулей, единиц и их суперпозиции. Этим они отличаются от обычных компьютеров, в ячейках памяти которых в любой конкретный момент времени находится либо 0, либо 1. Благодаря увеличению числа поддерживаемых состояний кубиты позволяют увеличить скорость выполнения вычислений.

Конечно, исследователям предстоит преодолеть еще очень много трудностей, включая квантовый шум, при котором кубиты переходят в нежелательные состояния, что осложняет нормальное выполнение программ. Единственный известный квантовый компьютер продается сегодня компанией D-Wave Systems, однако в начале нынешнего года исследователям IBM удалось перевести компьютерные отношения в плоскость квантовой механики, где поведение и взаимодействие описывается на атомном и субатомном уровне.