Наблюдения за ростом ёмкости интегральных схем

Введение

Наблюдение за ростом емкости интегральных схем

Закон Мура – это наблюдение о том, что количество транзисторов в интегральной схеме (ИС) удваивается примерно каждые два года. Закон Мура представляет собой наблюдение и экстраполяцию исторической тенденции. Это не закон физики, а эмпирическая зависимость, связанная с опытом, полученным в процессе производства. Наблюдение названо в честь Гордона Мура, сооснователя Fairchild Semiconductor и Intel (и бывшего генерального директора последней), который в 1965 году предположил удвоение числа компонентов на интегральную схему ежегодно. Эта тенденция началась с изобретения интегральной схемы в 1958 году. См. график внизу страницы 3 оригинальной презентации идеи Мура. Энгельбарт представил свои результаты на Международной конференции по твердотельным схемам в 1960 году, где Мур присутствовал в аудитории. В 1965 году Гордона Мура, в то время директора по исследованиям и разработкам в Fairchild Semiconductor, попросили внести вклад в 35-й юбилейный выпуск журнала Electronics, предоставив прогноз о будущем полупроводниковой отрасли в течение следующих десяти лет. Его ответом стала короткая статья под названием «Размещение большего количества компонентов на интегральных схемах». В своей статье он предположил, что к 1975 году на полупроводнике площадью около 1,6 квадратных сантиметров будет возможно разместить до 65 000 компонентов. «Сложность при минимальных затратах на компонент увеличивалась примерно в два раза в год. В краткосрочной перспективе можно ожидать сохранения, а возможно, и увеличения этой скорости. В долгосрочной перспективе темпы роста несколько более неопределенны, хотя нет оснований полагать, что они не останутся почти постоянными в течение как минимум 10 лет». В интервью 2015 года Мур отметил о статье 1965 года: «Я просто сделал смелую экстраполяцию, предполагая, что удвоение будет продолжаться каждый год в течение следующих 10 лет». Данные полупроводниковой промышленности показывают, что обратная зависимость между плотностью мощности и удельной плотностью нарушилась в середине 2000-х годов. Он выделил несколько факторов, способствующих этому экспоненциальному поведению: Закон Мура в конечном итоге стал общепринятой целью для полупроводниковой промышленности и цитировался конкурентами, стремящимися увеличить вычислительную мощность. Мур рассматривал свой закон как удивительный и оптимистичный: «Закон Мура – это нарушение закона Мерфи. Все становится все лучше и лучше». Наблюдение даже рассматривалось как самосбывающееся пророчество. Период удвоения часто ошибочно указывается как 18 месяцев из-за отдельного прогноза Дэвида Хауса, руководителя Intel и коллеги Мура. В 1975 году Хаус отметил, что пересмотренный закон Мура об удвоении числа транзисторов каждые 2 года, в свою очередь, подразумевает, что производительность компьютерных чипов будет удваиваться примерно каждые 18 месяцев (без увеличения энергопотребления). Математически закон Мура предсказывал, что количество транзисторов будет удваиваться каждые 2 года из-за уменьшения размеров транзисторов и других улучшений. Как следствие уменьшения размеров, масштабирование Деннарда предсказало, что энергопотребление на единицу площади останется постоянным. Объединив эти эффекты, Дэвид Хаус пришел к выводу, что производительность компьютерных чипов будет удваиваться примерно каждые 18 месяцев. Также благодаря масштабированию Деннарда это увеличение производительности не будет сопровождаться увеличением мощности, то есть энергоэффективность кремниевых компьютерных чипов будет удваиваться примерно каждые 18 месяцев. Масштабирование Деннарда завершилось в 2000-х годах, с 10-, 7- и 5-нм техпроцессами, запущенными в массовое производство.

Moore's law is the observation that the number of transistors in an integrated circuit (IC) doubles about every two years. Moore's law is an observation and projection of a historical trend. Rather than a law of physics, it is an empirical relationship linked to gains from experience in production. The observation is named after Gordon Moore, the co founder of Fairchild Semiconductor and Intel (and former CEO of the latter), who in 1965 posited a doubling every year in the number of components per integrated circuit,efn|The trend begins with the invention of the integrated circuit in 1958. See the graph on the bottom of page 3 of Moore's original presentation of the idea. Engelbart presented his findings at the 1960 International Solid State Circuits Conference, where Moore was present in the audience. In 1965, Gordon Moore, who at the time was working as the director of research and development at Fairchild Semiconductor, was asked to contribute to the thirty fifth anniversary issue of Electronics magazine with a prediction on the future of the semiconductor components industry over the next ten years. His response was a brief article entitled "Cramming more components onto integrated circuits". Within his editorial, he speculated that by 1975 it would be possible to contain as many as 65,000 components on a single quarter square inch (~1.6 square centimeter) semiconductor. <blockquote>The complexity for minimum component costs has increased at a rate of roughly a factor of two per year. Certainly over the short term this rate can be expected to continue, if not to increase. Over the longer term, the rate of increase is a bit more uncertain, although there is no reason to believe it will not remain nearly constant for at least 10 years. In a 2015 interview, Moore noted of the 1965 article: " I just did a wild extrapolation saying it's going to continue to double every year for the next 10 years." Evidence from the semiconductor industry shows that this inverse relationship between power density and areal density broke down in the mid 2000s. He outlined several contributing factors for this exponential behavior: Moore's law eventually came to be widely accepted as a goal for the semiconductor industry, and it was cited by competitive semiconductor manufacturers as they strove to increase processing power. Moore viewed his eponymous law as surprising and optimistic: "Moore's law is a violation of Murphy's law. Everything gets better and better." The observation was even seen as a self fulfilling prophecy. The doubling period is often misquoted as 18 months because of a separate prediction by Moore's colleague, Intel executive David House. In 1975, House noted that Moore's revised law of doubling transistor count every 2 years in turn implied that computer chip performance would roughly double every 18 months (with no increase in power consumption). Mathematically, Moore's law predicted that transistor count would double every 2 years due to shrinking transistor dimensions and other improvements. As a consequence of shrinking dimensions, Dennard scaling predicted that power consumption per unit area would remain constant. Combining these effects, David House deduced that computer chip performance would roughly double every 18 months. Also due to Dennard scaling, this increased performance would not be accompanied by increased power, i. e., the energy efficiency of silicon based computer chips roughly doubles every 18 months. Dennard scaling ended in the 2000s. with 10, 7, and 5 nm nodes in mass production.

Второй закон Мура

По мере того, как стоимость вычислительной мощности для потребителя снижается, стоимость для производителей соблюдения закона Мура следует противоположной тенденции: затраты на исследования и разработки, производство и тестирование неуклонно растут с каждым новым поколением чипов. Стоимость оборудования, главным образом EUVL (экстремальной ультрафиолетовой литографии), используемого для производства чипов, удваивается каждые 4 года. Растущие производственные затраты – важный фактор, влияющий на дальнейшее действие закона Мура. Это привело к формулированию второго закона Мура, также известного как закон Рока (названного в честь Артура Рока), который гласит, что капитальные затраты на завод по производству полупроводников также экспоненциально возрастают со временем.

Основные факторы, способствующие

Многочисленные инновации ученых и инженеров поддерживали закон Мура с начала эры интегральных схем. Некоторые из ключевых инноваций перечислены ниже как примеры прорывов, которые продвинули технологию изготовления интегральных схем и полупроводниковых устройств, позволяя количеству транзисторов расти более чем на семь порядков за менее чем пять десятилетий. Интегральная схема (ИС): основа существования закона Мура. Гибридная германиевая интегральная схема была изобретена Джеком Килби в Texas Instruments в 1958 году, за которой последовало изобретение монолитной кремниевой интегральной схемы Робертом Нойсом в Fairchild Semiconductor в 1959 году. Комплементарный металл-оксид-полупроводник (CMOS): Процесс CMOS был изобретен Чи Тангом Сахом и Фрэнком Ванлассом в Fairchild Semiconductor в 1963 году. Динамическая память с произвольным доступом (DRAM): DRAM была разработана Робертом Х. Деннардом в IBM в 1967 году. Химически усиленный фоторезист: изобретен Хироси Ито, Грантом Уиллсоном и Ж. М. Ж. Фреше в IBM около 1980 года, который был в 5–10 раз более чувствителен к ультрафиолетовому свету. IBM представила химически усиленный фоторезист для производства DRAM в середине 1980-х годов. Глубокая ультрафиолетовая эксимерная лазерная фотолитография: изобретена Канти Джейном в IBM около 1980 года. До этого эксимерные лазеры в основном использовались в качестве исследовательских устройств с момента их разработки в 1970-х годах. С более широкой научной точки зрения изобретение эксимерной лазерной литографии было отмечено как одна из важнейших вех в 50-летней истории лазера. Инновации в области межсоединений: Инновации в области межсоединений, появившиеся в конце 1990-х годов, включая химико-механическую полировку (ХМП) или химико-механическую планарную обработку, изоляцию траншей и медные межсоединения, – хотя и не являются непосредственным фактором создания меньших транзисторов, – позволили улучшить выход годных пластин, добавить слои металлических проводников, уменьшить расстояние между устройствами и снизить электрическое сопротивление. В 2001 году в технологических дорожных картах компьютерной индустрии было предсказано, что закон Мура будет действовать в течение нескольких поколений полупроводниковых чипов.

Numerous innovations by scientists and engineers have sustained Moore's law since the beginning of the IC era. Some of the key innovations are listed below, as examples of breakthroughs that have advanced integrated circuit and semiconductor device fabrication technology, allowing transistor counts to grow by more than seven orders of magnitude in less than five decades. Integrated circuit (IC): The raison d'être for Moore's law. The germanium hybrid IC was invented by Jack Kilby at Texas Instruments in 1958, followed by the invention of the silicon monolithic IC chip by Robert Noyce at Fairchild Semiconductor in 1959. Complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS): The CMOS process was invented by Chih Tang Sah and Frank Wanlass at Fairchild Semiconductor in 1963. Dynamic random access memory (DRAM): DRAM was developed by Robert H. Dennard at IBM in 1967. Chemically amplified photoresist: Invented by Hiroshi Ito, Grant Willson and J. M. J. Fréchet at IBM circa 1980, which was 5–10 times more sensitive to ultraviolet light. IBM introduced chemically amplified photoresist for DRAM production in the mid 1980s. Deep UV excimer laser photolithography: Invented by Kanti Jain at IBM circa 1980. Prior to this, excimer lasers had been mainly used as research devices since their development in the 1970s. From a broader scientific perspective, the invention of excimer laser lithography has been highlighted as one of the major milestones in the 50 year history of the laser. Interconnect innovations: Interconnect innovations of the late 1990s, including chemical mechanical polishing or chemical mechanical planarization (CMP), trench isolation, and copper interconnects—although not directly a factor in creating smaller transistors—have enabled improved wafer yield, additional layers of metal wires, closer spacing of devices, and lower electrical resistance. Computer industry technology road maps predicted in 2001 that Moore's law would continue for several generations of semiconductor chips.

Последние тенденции

Одной из ключевых технических задач при создании будущих нанотранзисторов является проектирование затворов. По мере уменьшения размеров устройства, управление потоком тока в тонком канале становится все более сложным. Современные нанотранзисторы обычно имеют форму многозатворных MOSFET, при этом FinFET является наиболее распространенным нанотранзистором. FinFET имеет диэлектрик затвора с трех сторон канала. В сравнении, структура MOSFET с окружным затвором (GAAFET) обеспечивает еще лучший контроль затвора. В 1988 году исследовательская группа Toshiba под руководством Фудзио Масуоки впервые продемонстрировала вертикальный нанопроволочный GAAFET, который он назвал «транзистором с окружающим затвором» (SGT). Масуока, наиболее известный как изобретатель флэш-памяти, позже покинул Toshiba и основал Unisantis Electronics в 2004 году для проведения исследований технологии с окружающим затвором совместно с Университетом Тохоку. В 2006 году команда корейских исследователей из Корейского передового института науки и технологий (KAIST) и Национального центра нанофабрикации разработала 3-нм транзистор – самое маленькое наноэлектронное устройство в мире на тот момент, основанное на технологии FinFET. В 2010 году исследователи из Национального института Тиндалла в Корке, Ирландия, объявили о создании транзистора без переходов. Управляющий затвор, охватывающий кремниевую нанопроволоку, может контролировать прохождение электронов без использования переходов или легирования. Они утверждают, что такие транзисторы могут быть изготовлены в масштабе 10 нм с использованием существующих технологий производства. В 2011 году исследователи из Университета Питтсбурга объявили о разработке одноэлектронного транзистора диаметром 1,5 нм, изготовленного из материалов на основе оксидов. Три «провода» сходятся на центральном «острове», который может содержать один или два электрона. Электроны туннелируют от одного провода к другому через остров. Условия на третьем проводе приводят к различным проводящим свойствам, включая способность транзистора функционировать как твердотельная память. Нанопроволочные транзисторы могут стимулировать создание микроскопических компьютеров. В 2012 году исследовательская группа из Университета Нового Южного Уэльса объявила о разработке первого рабочего транзистора, состоящего из одного атома, точно расположенного в кремниевом кристалле (а не выбранного из большой выборки случайных транзисторов). Закон Мура предсказывал достижение этой вехи для интегральных схем в лабораторных условиях к 2020 году. В 2015 году IBM продемонстрировала чипы с 7-нм техпроцессом с кремниево-германиевыми транзисторами, изготовленными с использованием EUVL. Компания полагала, что плотность транзисторов будет в четыре раза выше, чем у тогдашних 14-нм чипов. Samsung и TSMC планируют начать производство 3-нм GAAFET техпроцессов в 2021–2022 годах. Следует отметить, что названия техпроцессов, такие как 3 нм, не связаны с физическим размером элементов устройства (транзисторов). Исследовательская группа Toshiba, включавшая T. Imoto, M. Matsui и C. Takubo, разработала процесс склеивания пластин "System Block Module" для производства трехмерных интегральных схем (3D IC) в 2001 году. В апреле 2007 года Toshiba представила восьмислойную 3D IC, 16-ГБ чип THGAM встроенной NAND флэш-памяти, изготовленный из восьми сложенных 2-ГБ NAND флэш-чипов. В сентябре 2007 года Hynix представила 24-слойную 3D IC, 16-ГБ чип флэш-памяти, изготовленный из 24 сложенных NAND флэш-чипов с использованием процесса склеивания пластин. V NAND, также известная как 3D NAND, позволяет вертикально складывать ячейки флэш-памяти с использованием технологии флэш-памяти с захватом заряда, впервые представленной Джоном Седоном в 1967 году, что значительно увеличивает количество транзисторов на чипе флэш-памяти. 3D NAND была впервые анонсирована компанией Toshiba в 2007 году. V NAND впервые была коммерчески произведена компанией Samsung Electronics в 2013 году. В 2008 году исследователи из HP Labs объявили о создании рабочего мемристора – четвертого базового пассивного элемента схемы, существование которого ранее было лишь теоретизировано. Уникальные свойства мемристора позволяют создавать более мелкие и производительные электронные устройства. В 2014 году биоинженеры из Стэнфордского университета разработали схему, смоделированную на основе человеческого мозга. Шестнадцать чипов "Neurocore" имитируют один миллион нейронов и миллиарды синаптических связей, которые, как утверждается, в 9000 раз быстрее и энергоэффективнее, чем типичный ПК. В 2015 году Intel и Micron объявили о 3D XPoint – энергонезависимой памяти, которая, как утверждается, значительно быстрее и имеет сопоставимую плотность с NAND. Начало производства, запланированное на 2016 год, было отложено до второй половины 2017 года. В 2017 году Samsung объединила свою технологию V NAND с 3D-стекингом eUFS для производства 512-ГБ чипа флэш-памяти с восемью сложенными 64-слойными кристаллами V NAND. В 2019 году Samsung произвела 1-ТБ чип флэш-памяти с восемью сложенными 96-слойными кристаллами V NAND, а также технологией quad-level cell (QLC) (4 бита на транзистор), что эквивалентно 2 триллионам транзисторов – наибольшему количеству транзисторов в любом чипе интегральной схемы. В 2020 году Samsung Electronics планировала начать производство с 5-нм техпроцессом, используя FinFET и EUV-технологию. Архитекторы микропроцессоров сообщают, что прогресс в области полупроводников замедлился во всей отрасли с примерно 2010 года, ниже темпов, предсказанных законом Мура. Intel заявила в 2015 году, что улучшения в MOSFET-устройствах замедлились, начиная с ширины элементов 22 нм около 2012 года и продолжаясь на 14 нм. Пэт Гелсингер, генеральный директор Intel, заявил в конце 2023 года, что «мы больше не находимся в золотую эру закона Мура, сейчас это гораздо, гораздо сложнее, поэтому мы, вероятно, удваиваемся примерно каждые три года, поэтому мы определенно наблюдаем замедление». Физические пределы масштабирования транзисторов были достигнуты из-за утечки тока от истока к стоку, ограниченных металлов затвора и ограниченных вариантов материала канала. Исследуются другие подходы, которые не зависят от физического масштабирования. К ним относятся спиновое состояние электронов спинтроники, туннельные переходы и продвинутое ограничение материалов канала с помощью геометрии нанопроводов. Спин-логика и варианты памяти активно разрабатываются в лабораториях.

One of the key technical challenges of engineering future nanoscale transistors is the design of gates. As device dimension shrinks, controlling the current flow in the thin channel becomes more difficult. Modern nanoscale transistors typically take the form of multi gate MOSFETs, with the FinFET being the most common nanoscale transistor. The FinFET has gate dielectric on three sides of the channel. In comparison, the gate all around MOSFET (GAAFET) structure has even better gate control. A gate all around MOSFET (GAAFET) was first demonstrated in 1988, by a Toshiba research team led by Fujio Masuoka, who demonstrated a vertical nanowire GAAFET which he called a "surrounding gate transistor" (SGT). Masuoka, best known as the inventor of flash memory, later left Toshiba and founded Unisantis Electronics in 2004 to research surrounding gate technology along with Tohoku University. In 2006, a team of Korean researchers from the Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) and the National Nano Fab Center developed a 3 nm transistor, the world's smallest nanoelectronic device at the time, based on FinFET technology. In 2010, researchers at the Tyndall National Institute in Cork, Ireland announced a junctionless transistor. A control gate wrapped around a silicon nanowire can control the passage of electrons without the use of junctions or doping. They claim these may be produced at 10 nm scale using existing fabrication techniques. In 2011, researchers at the University of Pittsburgh announced the development of a single electron transistor, 1.5 nm in diameter, made out of oxide based materials. Three "wires" converge on a central "island" that can house one or two electrons. Electrons tunnel from one wire to another through the island. Conditions on the third wire result in distinct conductive properties including the ability of the transistor to act as a solid state memory. Nanowire transistors could spur the creation of microscopic computers. In 2012, a research team at the University of New South Wales announced the development of the first working transistor consisting of a single atom placed precisely in a silicon crystal (not just picked from a large sample of random transistors). Moore's law predicted this milestone to be reached for ICs in the lab by 2020. In 2015, IBM demonstrated 7 nm node chips with silicon germanium transistors produced using EUVL. The company believed this transistor density would be four times that of the then current 14 nm chips. Samsung and TSMC plan to manufacture 3nm GAAFET nodes by 20212022. Note that node names, such as 3nm, have no relation to the physical size of device elements (transistors). A Toshiba research team including T. Imoto, M. Matsui and C. Takubo developed a "System Block Module" wafer bonding process for manufacturing three dimensional integrated circuit (3D IC) packages in 2001. In April 2007, Toshiba introduced an eight layer 3D IC, the 16GB THGAM embedded NAND flash memory chip which was manufactured with eight stacked 2GB NAND flash chips. In September 2007, Hynix introduced 24 layer 3D IC, a 16GB flash memory chip that was manufactured with 24 stacked NAND flash chips using a wafer bonding process. V NAND, also known as 3D NAND, allows flash memory cells to be stacked vertically using charge trap flash technology originally presented by John Szedon in 1967, significantly increasing the number of transistors on a flash memory chip. 3D NAND was first announced by Toshiba in 2007. V NAND was first commercially manufactured by Samsung Electronics in 2013. In 2008, researchers at HP Labs announced a working memristor, a fourth basic passive circuit element whose existence only had been theorized previously. The memristor's unique properties permit the creation of smaller and better performing electronic devices. In 2014, bioengineers at Stanford University developed a circuit modeled on the human brain. Sixteen "Neurocore" chips simulate one million neurons and billions of synaptic connections, claimed to be 9,000 times faster as well as more energy efficient than a typical PC. In 2015, Intel and Micron announced 3D XPoint, a non volatile memory claimed to be significantly faster with similar density compared to NAND. Production scheduled to begin in 2016 was delayed until the second half of 2017. In 2017, Samsung combined its V NAND technology with eUFS 3D IC stacking to produce a 512GB flash memory chip, with eight stacked 64 layer V NAND dies. In 2019, Samsung produced a 1TB flash chip with eight stacked 96 layer V NAND dies, along with quad level cell (QLC) technology (4 bit per transistor), equivalent to 2trillion transistors, the highest transistor count of any IC chip. In 2020, Samsung Electronics planned to produce the 5 nm node, using FinFET and EUV technology. Microprocessor architects report that semiconductor advancement has slowed industry wide since around 2010, below the pace predicted by Moore's law. Intel stated in 2015 that improvements in MOSFET devices have slowed, starting at the 22 nm feature width around 2012, and continuing at 14 nm. Pat Gelsinger, Intel CEO, stated at the end of 2023 that "we're no longer in the golden era of Moore's Law, it's much, much harder now, so we're probably doubling effectively closer to every three years now, so we've definitely seen a slowing." The physical limits to transistor scaling have been reached due to source to drain leakage, limited gate metals and limited options for channel material. Other approaches are being investigated, which do not rely on physical scaling. These include the spin state of electron spintronics, tunnel junctions, and advanced confinement of channel materials via nano wire geometry. Spin based logic and memory options are being developed actively in labs.

Исследование альтернативных материалов

Подавляющее большинство современных транзисторов в интегральных схемах состоит главным образом из легированного кремния и его сплавов. По мере того как кремний используется для создания транзисторов с размерами в несколько нанометров, эффекты короткого канала негативно влияют на желаемые материальные свойства кремния как функционального транзистора. Ниже приведены несколько альтернатив кремнию при изготовлении нанометровых транзисторов. Одним из предлагаемых материалов является арсенид индия-галлия, или InGaAs. По сравнению с кремниевыми и германиевыми аналогами, транзисторы на основе InGaAs выглядят более перспективными для будущих высокоскоростных логических приложений с низким энергопотреблением. Благодаря присущим полупроводникам соединений III-V группам характеристикам, квантовые и туннельные транзисторы на основе InGaAs были предложены как альтернатива более традиционным конструкциям MOSFET. В начале 2000-х годов Гуртежем Сингхом Санду в Micron Technology были изобретены процессы атомно-слоевого осаждения с использованием диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью и двойного шаблонирования, что позволило продлить действие закона Мура для планарной CMOS-технологии до 30 нм и менее. В 2009 году Intel объявила о разработке 80-нм квантовых транзисторов с квантовой ямой на основе InGaAs. Квантовые ямы содержат материал, заключенный между двумя слоями материала с более широкой запрещенной зоной. Несмотря на то, что их размер вдвое превышал размер ведущих чисто кремниевых транзисторов того времени, компания сообщила, что они демонстрируют сопоставимую производительность при меньшем энергопотреблении. В 2011 году исследователи Intel продемонстрировали 3D тригетные транзисторы InGaAs с улучшенными характеристиками утечки по сравнению с традиционными планарными конструкциями. Компания утверждает, что их конструкция обеспечивает наилучшие электростатические характеристики среди транзисторов на основе полупроводников соединений III-V. На Международной конференции по твердотельным схемам в 2015 году Intel упомянула об использовании соединений III-V на основе подобной архитектуры для их 7-нм технологического узла. В 2011 году исследователи из Техасского университета в Остине разработали туннельные полевые транзисторы InGaAs, способные к более высоким рабочим токам, чем предыдущие конструкции. Первые конструкции III-V TFET были продемонстрированы в 2009 году совместной командой из Корнелльского университета и Университета штата Пенсильвания. В 2012 году команда из Лабораторий микросистемных технологий MIT разработала 22-нм транзистор на основе InGaAs, который на тот момент был самым маленьким некремниевым транзистором, когда-либо созданным. Команда использовала методы, применяемые при изготовлении кремниевых устройств, и стремилась к улучшению электрических характеристик и уменьшению размеров до 10 нанометров. Исследования в области биологических вычислений показывают, что биологические материалы обладают более высокой плотностью информации и энергоэффективностью по сравнению с кремниевыми вычислениями. Различные формы графена изучаются для графеновой электроники, например, графеновые наноленточные транзисторы показали многообещающие результаты с момента их появления в публикациях в 2008 году. (Объемный графен имеет нулевую ширину запрещенной зоны и, следовательно, не может использоваться в транзисторах из-за его постоянной проводимости и невозможности отключения. Зигзагообразные края нанолент вводят локализованные энергетические состояния в зонах проводимости и валентности, создавая тем самым запрещенную зону, которая обеспечивает переключение при изготовлении транзистора. Например, типичная ГНЛ шириной 10 нм имеет желаемую энергию запрещенной зоны 0,4 эВ.) Однако необходимы дополнительные исследования слоев графена размером менее 50 нм, поскольку их удельное сопротивление увеличивается, а следовательно, подвижность электронов уменьшается.

The vast majority of current transistors on ICs are composed principally of doped silicon and its alloys. As silicon is fabricated into single nanometer transistors, short channel effects adversely change desired material properties of silicon as a functional transistor. Below are several non silicon substitutes in the fabrication of small nanometer transistors. One proposed material is indium gallium arsenide, or InGaAs. Compared to their silicon and germanium counterparts, InGaAs transistors are more promising for future high speed, low power logic applications. Because of intrinsic characteristics of III V compound semiconductors, quantum well and tunnel effect transistors based on InGaAs have been proposed as alternatives to more traditional MOSFET designs. In the early 2000s, the atomic layer deposition high κ film and pitch double patterning processes were invented by Gurtej Singh Sandhu at Micron Technology, extending Moore's law for planar CMOS technology to 30 nm class and smaller. In 2009, Intel announced the development of 80 nm InGaAs quantum well transistors. Quantum well devices contain a material sandwiched between two layers of material with a wider band gap. Despite being double the size of leading pure silicon transistors at the time, the company reported that they performed equally as well while consuming less power. In 2011, researchers at Intel demonstrated 3 D tri gate InGaAs transistors with improved leakage characteristics compared to traditional planar designs. The company claims that their design achieved the best electrostatics of any III V compound semiconductor transistor. At the 2015 International Solid State Circuits Conference, Intel mentioned the use of III V compounds based on such an architecture for their 7 nm node. In 2011, researchers at the University of Texas at Austin developed an InGaAs tunneling field effect transistors capable of higher operating currents than previous designs. The first III V TFET designs were demonstrated in 2009 by a joint team from Cornell University and Pennsylvania State University. In 2012, a team in MIT's Microsystems Technology Laboratories developed a 22 nm transistor based on InGaAs which, at the time, was the smallest non silicon transistor ever built. The team used techniques used in silicon device fabrication and aimed for better electrical performance and a reduction to 10 nanometer scale. Biological computing research shows that biological material has superior information density and energy efficiency compared to silicon based computing. Various forms of graphene are being studied for graphene electronics, e. g. graphene nanoribbon transistors have shown promise since its appearance in publications in 2008. (Bulk graphene has a band gap of zero and thus cannot be used in transistors because of its constant conductivity, an inability to turn off. The zigzag edges of the nanoribbons introduce localized energy states in the conduction and valence bands and thus a bandgap that enables switching when fabricated as a transistor. As an example, a typical GNR of width of 10 nm has a desirable bandgap energy of 0.4 eV.) More research will need to be performed, however, on sub 50 nm graphene layers, as its resistivity value increases and thus electron mobility decreases.

Прогнозы и дорожные карты

В апреле 2005 года Гордон Мур заявил в интервью, что эта тенденция не может продолжаться бесконечно: "Это не может продолжаться вечно. Свойство экспоненциального роста заключается в том, что его можно отсрочить, но в конечном итоге произойдет кризис". Он также отметил, что транзисторы в конечном итоге достигнут пределов миниатюризации на атомном уровне: "Если говорить о размере [транзисторов], то видно, что мы приближаемся к размеру атомов, что является фундаментальным барьером, но это произойдет через два-три поколения – настолько далеко мы еще никогда не заглядывали. У нас есть еще 10-20 лет до достижения фундаментального предела. К тому времени станет возможным создавать более крупные чипы с транзисторным бюджетом в миллиарды единиц". В 2016 году Международная технологическая дорожная карта для полупроводников, которая с 1998 года использовала закон Мура для развития отрасли, представила свою последнюю дорожную карту. Она больше не ориентировала свой план исследований и разработок на закон Мура. Вместо этого был представлен подход, который можно назвать стратегией "Больше, чем закон Мура", в рамках которой разработка чипов определяется потребностями приложений, а не стремлением к масштабированию полупроводников. Факторами, определяющими развитие, являются потребности в смартфонах, искусственном интеллекте и центрах обработки данных. В 2016 году IEEE начала инициативу по разработке дорожной карты "Перезагрузка вычислений", получившую название Международная дорожная карта для устройств и систем (IRDS). Некоторые аналитики, включая Гордона Мура, предсказывают, что закон Мура прекратит свое действие примерно к 2025 году. Хотя закон Мура достигнет физического предела, некоторые аналитики оптимистично настроены в отношении продолжения технологического прогресса в других областях, таких как новые архитектуры чипов, квантовые вычисления, искусственный интеллект и машинное обучение. Генеральный директор Nvidia Дженсен Хуан объявил о смерти закона Мура в 2022 году, а через несколько дней генеральный директор Intel Пэт Гелсингер выступил с опровержением.

Последствия

Цифровая электроника способствовала росту мировой экономики в конце двадцатого и начале двадцать первого веков, достигнув 3,4% в год в период с 1997 по 2004 год, что превысило показатель в 1,6% в год как в 1972–1996, так и в 2005–2013 годах. Как отмечает экономист Ричард Г. Андерсон, "многочисленные исследования выявили причину ускорения производительности в технологических инновациях в производстве полупроводников, которые значительно снизили цены на эти компоненты и продукты, содержащие их (а также расширили возможности этих продуктов)". Основным негативным следствием закона Мура является то, что устаревание подталкивает общество к границам роста. По мере того как технологии продолжают быстро "совершенствоваться", они делают предыдущие технологии устаревшими. В ситуациях, когда безопасность и сохранность оборудования или данных имеют первостепенное значение, или когда ресурсы ограничены, быстрое устаревание часто создает препятствия для бесперебойной или непрерывной работы. Из-за интенсивного потребления ресурсов и использования токсичных материалов при производстве компьютеров, устаревание приводит к серьезному негативному воздействию на окружающую среду. Американцы выбрасывают 400 000 мобильных телефонов каждый день, но этот высокий уровень устаревания представляется компаниям как возможность для регулярных продаж дорогостоящего нового оборудования, вместо того чтобы использовать одно устройство в течение более длительного периода времени, что приводит к тому, что индустрия использует запланированное устаревание как источник прибыли. Альтернативным источником повышения производительности являются методы микроархитектуры, использующие увеличение количества доступных транзисторов. Выполнение вне очереди, а также кэширование и предварительная выборка на чипе снижают задержку памяти за счет использования большего количества транзисторов и повышения сложности процессора. Эти увеличения описываются эмпирически правилом Поллака, которое гласит, что увеличение производительности благодаря методам микроархитектуры приближается к квадратному корню сложности (количества транзисторов или площади) процессора. В течение многих лет производители процессоров увеличивали тактовую частоту и параллелизм на уровне инструкций, так что однопоточный код выполнялся быстрее на новых процессорах без изменений. Теперь, для управления энергопотреблением процессора, производители предпочитают многоядерные чипы, и программное обеспечение должно быть написано многопоточно, чтобы в полной мере использовать аппаратное обеспечение. Многие парадигмы многопоточной разработки вносят дополнительные накладные расходы и не демонстрируют линейного увеличения скорости с увеличением количества процессоров. Это особенно верно при доступе к общим или зависимым ресурсам из-за конфликтов блокировок. Этот эффект становится более заметным с увеличением числа процессоров. Бывают случаи, когда увеличение числа транзисторов процессора примерно на 45% приводит к увеличению вычислительной мощности примерно на 10–20%. С другой стороны, производители добавляют специализированные вычислительные блоки для обработки таких функций, как графика, видео и криптография. Например, расширение Intel Parallel JavaScript не только добавляет поддержку нескольких ядер, но и другие не общие функции обработки их чипов, как часть перехода в клиентском скриптинге к HTML5. Закон Мура значительно повлиял на производительность других технологий: Майкл С. Малоун писал о "войне Мура" после очевидного успеха стратегии "шока и трепета" на ранних этапах войны в Ираке. Прогресс в разработке управляемого оружия зависит от электронной технологии. Улучшения плотности схем и низкого энергопотребления, связанные с законом Мура, также способствовали развитию таких технологий, как мобильные телефоны и 3D-печать.

Digital electronics have contributed to world economic growth in the late twentieth and early twenty first centuries. which reached 3.4% per year in 1997–2004, outpacing the 1.6% per year during both 1972–1996 and 2005–2013. As economist Richard G. Anderson notes, "Numerous studies have traced the cause of the productivity acceleration to technological innovations in the production of semiconductors that sharply reduced the prices of such components and of the products that contain them (as well as expanding the capabilities of such products)." The primary negative implication of Moore's law is that obsolescence pushes society up against the Limits to Growth. As technologies continue to rapidly "improve", they render predecessor technologies obsolete. In situations in which security and survivability of hardware or data are paramount, or in which resources are limited, rapid obsolescence often poses obstacles to smooth or continued operations. Because of the intensive resource footprint and toxic materials used in the production of computers, obsolescence leads to serious harmful environmental impacts. Americans throw out 400,000 cell phones every day, but this high level of obsolescence appears to companies as an opportunity to generate regular sales of expensive new equipment, instead of retaining one device for a longer period of time, leading to industry using planned obsolescence as a profit centre. An alternative source of improved performance is in microarchitecture techniques exploiting the growth of available transistor count. Out of order execution and on chip caching and prefetching reduce the memory latency bottleneck at the expense of using more transistors and increasing the processor complexity. These increases are described empirically by Pollack's Rule, which states that performance increases due to microarchitecture techniques approximate the square root of the complexity (number of transistors or the area) of a processor. For years, processor makers delivered increases in clock rates and instruction level parallelism, so that single threaded code executed faster on newer processors with no modification. Now, to manage CPU power dissipation, processor makers favor multi core chip designs, and software has to be written in a multi threaded manner to take full advantage of the hardware. Many multi threaded development paradigms introduce overhead, and will not see a linear increase in speed versus number of processors. This is particularly true while accessing shared or dependent resources, due to lock contention. This effect becomes more noticeable as the number of processors increases. There are cases where a roughly 45% increase in processor transistors has translated to roughly 10–20% increase in processing power. On the other hand, manufacturers are adding specialized processing units to deal with features such as graphics, video, and cryptography. For one example, Intel's Parallel JavaScript extension not only adds support for multiple cores, but also for the other non general processing features of their chips, as part of the migration in client side scripting toward HTML5. Moore's law has affected the performance of other technologies significantly: Michael S. Malone wrote of a Moore's War following the apparent success of shock and awe in the early days of the Iraq War. Progress in the development of guided weapons depends on electronic technology. Improvements in circuit density and low power operation associated with Moore's law also have contributed to the development of technologies including mobile telephones and 3 D printing.

Другие формулировки и аналогичные замечания

Несколько показателей цифровых технологий улучшаются экспоненциальными темпами, связанными с законом Мура, включая размер, стоимость, плотность и скорость компонентов. Сам Мур писал лишь о плотности компонентов – "под компонентом понимается транзистор, резистор, диод или конденсатор" – при минимальной стоимости. Наиболее распространенная формулировка закона Мура – удвоение числа транзисторов на интегральных схемах каждые два года. К концу 1970-х годов закон Мура стал рассматриваться как предел количества транзисторов на самых сложных микросхемах. График в начале этой статьи демонстрирует, что эта тенденция сохраняется и по сей день. По состоянию на 2017 год, коммерчески доступным процессором с наибольшим количеством транзисторов является 48-ядерный Centriq, содержащий более 18 миллиардов транзисторов.

Плотность при минимальных затратах на транзистор

Это формулировка, приведенная в статье Мура 1965 года. По мере увеличения числа транзисторов на чипе стоимость производства каждого транзистора снижается, но возрастает вероятность того, что чип окажется неработоспособным из-за дефекта. В 1965 году Мур исследовал плотность транзисторов, при которой стоимость минимизируется, и заметил, что по мере уменьшения размеров транзисторов благодаря достижениям в фотолитографии, это число будет увеличиваться «со скоростью примерно в два раза в год». Скалирование Деннарда завершилось в 2005–2010 годах из-за токов утечки. Основная причина этого – то, что при малых размерах утечка тока создает серьезные проблемы, а также приводит к нагреву чипа, что создает угрозу теплового разгона и, следовательно, дополнительно увеличивает энергозатраты. В отличие от масштабирования Деннарда, в 2012 году Intel перешла на непланарные трехзатворные FinFET транзисторы на 22 нм, которые быстрее и потребляют меньше энергии, чем традиционные планарные транзисторы. Скорость улучшения производительности одноядерных микропроцессоров значительно замедлилась. Производительность одного ядра росла на 52% в год в период с 1986 по 2003 год и на 23% в год с 2003 по 2011 год, но снизилась до всего лишь 7% в год в период с 2011 по 2018 год. Однако в период с 1995 по 1999 год темпы ускорились до 23% в год благодаря более быстрым инновациям в ИТ, а затем замедлились до 2% в год в период с 2010 по 2013 год. Хотя улучшение цены микропроцессоров с учетом качества продолжается, микропроцессоры для ноутбуков, в частности, улучшались на 25–35% в год в период с 2004 по 2010 год и замедлились до 15–25% в год в период с 2010 по 2013 год. Количество транзисторов на чипе не может полностью объяснить цены на микропроцессоры с учетом качества. В статье Мура 1995 года не ограничивается строгой линейностью или количеством транзисторов: «Определение «закона Мура» стало относиться практически ко всему, что связано с полупроводниковой промышленностью, что на полулогарифмическом графике приближается к прямой линии. Я не решаюсь пересматривать его происхождение и тем самым ограничивать его определение». Позднее это предсказание было признано чрезмерно оптимистичным. Несколько десятилетий быстрого прогресса в плотности площади замедлились примерно в 2010 году с 30–100% в год до 10–15% в год из-за шума, связанного с меньшим размером зерна дисковых носителей, термической стабильностью и возможностью записи с использованием доступных магнитных полей. Пропускная способность оптоволоконных линий связи – количество бит в секунду, которые можно передать по оптоволокну, увеличивается экспоненциально, быстрее, чем по закону Мура. Закон Кека, в честь Дональда Кека. Пропускная способность сети – по словам Джеральда Баттерса, бывшего руководителя группы оптических сетей Lucent в Bell Labs, существует и другая формулировка, называемая законом Баттерса о фотонике, которая преднамеренно параллельна закону Мура. Закон Баттерса гласит, что объем данных, поступающих из оптоволокна, удваивается каждые девять месяцев. Таким образом, стоимость передачи одного бита по оптической сети уменьшается вдвое каждые девять месяцев. Доступность мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM) увеличила емкость, которую можно разместить на одном волокне, в 100 раз. Оптические сети и мультиплексирование с плотным разделением по длине волны (DWDM) быстро снижают стоимость сетей, и дальнейший прогресс представляется гарантированным. В результате оптовая цена на передачу данных обрушилась во время пузыря доткомов. Закон Нильсена утверждает, что пропускная способность, доступная пользователям, увеличивается на 50% ежегодно. Пиксели за доллар – аналогичным образом Барри Хенди из Kodak Australia построил график пикселей за доллар в качестве базовой меры стоимости цифровой камеры, демонстрируя историческую линейность (в логарифмическом масштабе) этого рынка и возможность прогнозировать будущую тенденцию цены цифровых камер, ЖК- и светодиодных экранов и разрешения. Бывший сотрудник Intel вводит этот термин, используя последовательные версии Microsoft Office между 2000 и 2007 годами в качестве отправной точки. Несмотря на увеличение вычислительной производительности в течение этого периода времени в соответствии с законом Мура, Office 2007 выполнял ту же задачу вдвое быстрее на компьютере 2007 года, чем Office 2000 на компьютере 2000 года. Расширение библиотечных фондов – было рассчитано Фримонтом Райдером в 1945 году и, при наличии достаточного пространства, должно было удваиваться каждые 16 лет. Он выступал за замену громоздких, разрушающихся печатных изданий миниатюрными микроформатными аналоговыми фотографиями, которые можно было бы дублировать по требованию для читателей библиотеки или других учреждений. Он не предвидел цифровые технологии, которые десятилетия спустя заменят аналоговые микроформаты цифровыми изображениями, хранением и передачей данных. Автоматизированные, потенциально безошибочные цифровые технологии позволили значительно ускорить рост информации в эпоху, которую иногда называют Информационной эпохой. Кривая Карлсона – термин, введенный журналом The Economist для описания биотехнологического эквивалента закона Мура, названный в честь автора Роба Карлсона. Карлсон точно предсказал, что время удвоения технологий секвенирования ДНК (измеряемое по стоимости и производительности) будет не медленнее, чем по закону Мура. Кривые Карлсона иллюстрируют быстрое (в некоторых случаях гиперэкспоненциальное) снижение стоимости и увеличение производительности различных технологий, включая секвенирование ДНК, синтез ДНК, а также ряд физических и вычислительных инструментов, используемых для экспрессии белков и определения их структуры. Закон Эрума – это наблюдение в области разработки фармацевтических препаратов, которое было намеренно написано как «закон Мура», написанный задом наперед, чтобы противопоставить его экспоненциальному прогрессу других форм технологий (например, транзисторов) с течением времени. Он утверждает, что стоимость разработки нового лекарства примерно удваивается каждые девять лет. Эффект кривой опыта утверждает, что каждое удвоение совокупного производства практически любого продукта или услуги сопровождается приблизительно постоянным процентным снижением удельной стоимости. Первое задокументированное качественное описание этого датируется 1885 годом. Кривая мощности была использована для описания этого явления в обсуждении стоимости самолетов в 1936 году. Закон Эдхольма – Фил Эдхольм заметил, что пропускная способность телекоммуникационных сетей (включая Интернет) удваивается каждые 18 месяцев. Пропускная способность онлайн-коммуникационных сетей возросла от бит в секунду до терабит в секунду. Быстрый рост онлайн-пропускной способности во многом обусловлен тем же масштабированием MOSFET, которое позволило реализовать закон Мура, поскольку телекоммуникационные сети построены на основе MOSFET. Закон Хейтца предсказывает, что яркость светодиодов увеличивается по мере снижения их производственной стоимости. Закон Свансона – это наблюдение, что цена солнечных фотоэлектрических модулей имеет тенденцию снижаться на 20% при каждом удвоении объема отгруженных единиц. При текущих темпах стоимость снижается на 75% примерно каждые 10 лет.

This is the formulation given in Moore's 1965 paper. As more transistors are put on a chip, the cost to make each transistor decreases, but the chance that the chip will not work due to a defect increases. In 1965, Moore examined the density of transistors at which cost is minimized, and observed that, as transistors were made smaller through advances in photolithography, this number would increase at "a rate of roughly a factor of two per year". Dennard scaling ended in 2005–2010, due to leakage currents. The primary reason cited for the breakdown is that at small sizes, current leakage poses greater challenges, and also causes the chip to heat up, which creates a threat of thermal runaway and therefore, further increases energy costs. In another departure from Dennard scaling, Intel microprocessors adopted a non planar tri gate FinFET at 22 nm in 2012 that is faster and consumes less power than a conventional planar transistor. The rate of performance improvement for single core microprocessors has slowed significantly. Single core performance was improving by 52% per year in 1986–2003 and 23% per year in 2003–2011, but slowed to just seven percent per year in 2011–2018. The pace accelerated, however, to 23% per year in 1995–1999 triggered by faster IT innovation, and later, slowed to 2% per year in 2010–2013. While quality adjusted microprocessor price improvement continues, Laptop microprocessors in particular improved 25–35% per year in 2004–2010, and slowed to 15–25% per year in 2010–2013. The number of transistors per chip cannot explain quality adjusted microprocessor prices fully. Moore's 1995 paper does not limit Moore's law to strict linearity or to transistor count, "The definition of 'Moore's Law' has come to refer to almost anything related to the semiconductor industry that on a semi log plot approximates a straight line. I hesitate to review its origins and by doing so restrict its definition." The prediction was later viewed as over optimistic. Several decades of rapid progress in areal density slowed around 2010, from 30 to 100% per year to 10–15% per year, because of noise related to smaller grain size of the disk media, thermal stability, and writability using available magnetic fields. Fiber optic capacity – The number of bits per second that can be sent down an optical fiber increases exponentially, faster than Moore's law. Keck's law, in honor of Donald Keck. Network capacity – According to Gerald Butters, the former head of Lucent's Optical Networking Group at Bell Labs, there is another version, called Butters' Law of Photonics, a formulation that deliberately parallels Moore's law. Butters' law says that the amount of data coming out of an optical fiber is doubling every nine months. Thus, the cost of transmitting a bit over an optical network decreases by half every nine months. The availability of wavelength division multiplexing (sometimes called WDM) increased the capacity that could be placed on a single fiber by as much as a factor of 100. Optical networking and dense wavelength division multiplexing (DWDM) is rapidly bringing down the cost of networking, and further progress seems assured. As a result, the wholesale price of data traffic collapsed in the dot com bubble. Nielsen's Law says that the bandwidth available to users increases by 50% annually. Pixels per dollar – Similarly, Barry Hendy of Kodak Australia has plotted pixels per dollar as a basic measure of value for a digital camera, demonstrating the historical linearity (on a log scale) of this market and the opportunity to predict the future trend of digital camera price, LCD and LED screens, and resolution. formerly of Intel, introduces this term using successive versions of Microsoft Office between the year 2000 and 2007 as his premise. Despite the gains in computational performance during this time period according to Moore's law, Office 2007 performed the same task at half the speed on a prototypical year 2007 computer as compared to Office 2000 on a year 2000 computer. Library expansion – was calculated in 1945 by Fremont Rider to double in capacity every 16 years, if sufficient space were made available. He advocated replacing bulky, decaying printed works with miniaturized microform analog photographs, which could be duplicated on demand for library patrons or other institutions. He did not foresee the digital technology that would follow decades later to replace analog microform with digital imaging, storage, and transmission media. Automated, potentially lossless digital technologies allowed vast increases in the rapidity of information growth in an era that now sometimes is called the Information Age. Carlson curve – is a term coined by The Economist to describe the biotechnological equivalent of Moore's law, and is named after author Rob Carlson. Carlson accurately predicted that the doubling time of DNA sequencing technologies (measured by cost and performance) would be at least as fast as Moore's law. Carlson Curves illustrate the rapid (in some cases hyperexponential) decreases in cost, and increases in performance, of a variety of technologies, including DNA sequencing, DNA synthesis, and a range of physical and computational tools used in protein expression and in determining protein structures. Eroom's law – is a pharmaceutical drug development observation which was deliberately written as Moore's Law spelled backwards in order to contrast it with the exponential advancements of other forms of technology (such as transistors) over time. It states that the cost of developing a new drug roughly doubles every nine years. Experience curve effects says that each doubling of the cumulative production of virtually any product or service is accompanied by an approximate constant percentage reduction in the unit cost. The acknowledged first documented qualitative description of this dates from 1885. A power curve was used to describe this phenomenon in a 1936 discussion of the cost of airplanes. Edholm's law – Phil Edholm observed that the bandwidth of telecommunication networks (including the Internet) is doubling every 18 months. The bandwidths of online communication networks has risen from bits per second to terabits per second. The rapid rise in online bandwidth is largely due to the same MOSFET scaling that enabled Moore's law, as telecommunications networks are built from MOSFETs. Haitz's law predicts that the brightness of LEDs increases as their manufacturing cost goes down. Swanson's law is the observation that the price of solar photovoltaic modules tends to drop 20 percent for every doubling of cumulative shipped volume. At present rates, costs go down 75% about every 10 years.