Закон Мура, сформулированный в 1965 году Гордоном Муром, долгое время служил краеугольным камнем индустрии микроэлектроники. Его суть заключалась в предсказании удвоения числа транзисторов на одном кремниевом чипе примерно каждые два года. Эта закономерность позволяла прогнозировать постоянный рост вычислительной мощности и снижать себестоимость микросхем, стимулируя инновации и развитие технологий. Однако в последние годы становится все более очевидно, что закон сталкивается с серьезными ограничениями, обусловленными как физическими, так и экономическими факторами, что ставит под сомнение дальнейшую возможность его долгосрочного соблюдения. Одним из ключевых вызовов является беспрецедентный рост стоимости производства полупроводниковых заводов, специализированных для изготовления самых современных чипов.
В то время как 25 лет назад создание фабрики обходилось в 2-4 миллиарда долларов, сегодня эта сумма превышает 100 миллиардов. Одновременно с этим количество компаний, способных строить и эксплуатировать такие фабрики, резко сократилось - с примерно 40 до двух или трех. Прогнозируя данную тенденцию на следующие десять лет, можно ожидать, что стоимость одного завода превысит половину триллиона долларов, а число производителей снизится до одного или вовсе исчезнет. Это создаёт серьезное экономическое препятствие для дальнейшего масштабирования микросхем и развития индустрии. Технологические ограничения также играют большую роль.
Традиционные метрические показатели, используемые для обозначения размеров транзисторов, такие как нанометры, уже не отражают реальное положение вещей. Например, топовые технологические нормы в 2 нанометра заменяются терминами, измеряемыми в ангстремах (одна десятая нанометра). Однако сами по себе эти показатели утратили строгий физический смысл, потому что современные транзисторы - FinFET и GAAFET - имеют конструкции, не соответствующие прежним параметрам планарных транзисторов. Названия, основанные на условных размерах, скорее маркетинговый ход, чем объективный критерий. Производство микроскопических элементов микросхем происходит с помощью фотолитографии – процесса проецирования ультрафиолетового или экстремально ультрафиолетового света через маску на покрытую светочувствительным материалом кремниевую пластину.
Улучшение разрешения и уменьшение длины волны света позволяют создавать более мелкие структуры, но технические сложности растут экспоненциально. Технология EUV (экстремального ультрафиолетового излучения) с длиной волны около 13,5 нанометров стала прорывом, который позволил приблизиться к физическим пределам масштабирования транзисторов. Однако изготовление и управление такими машинами невероятно сложное и дорогое, включая необходимость использования атомарно точных зеркал для отражения мягких рентгеновских лучей и работы с чрезвычайно хрупкими материалами. Помимо оптики, фоточувствительные материалы, используемые для формирования микрочипов, имеют свои ограничения. Полимерные фотоотвердевающие слои прекращают эффективно работать при разрешении ниже 7-10 нанометров из-за своей молекулярной структуры.
Разработка новых химических составов для фотоотвердевающих материалов, способных работать на более мелких уровнях, является критически важной, но на данный момент универсальных решений нет. Сам дизайн транзисторов также претерпевает изменения, чтобы преодолевать физические барьеры миниатюризации. Традиционные плоские транзисторы были заменены FinFET, где канал представляет собой вертикальное «плавник», окружённый затвором по трём сторонам, повышая контроль над потоком электронов. Однако и эта архитектура достигла своих пределом за последние 15 лет и уступает место GAAFET, которые обеспечивают ещё большую эффективную площадь взаимодействия затвора и канала. Новая технология предполагает обёртывание затвора вокруг всех сторон канала и вертикальное многослойное размещение, что значительно увеличивает сложность производства.
Даже GAAFET, признанные передовыми, не являются панацеей. Им на смену может прийти CFET – технология, предусматривающая вертикальное штабелирование транзисторов разного типа PMOS и NMOS. Однако возрастание сложности таких конструкций увеличивает количество технологических этапов и вероятность выхода из строя изделий, что негативно влияет на рентабельность производства. Скорость процессоров также перестала расти прежними темпами. В начале 2000-х годов ожидался скачок от 1 ГГц до 10 ГГц всего за десятилетие, но к 2025 году максимальная частота осталась около 4 ГГц.
Одной из причин является развитие так называемого закона Деннарда, согласно которому при уменьшении размеров транзистора плотность энергопотребления оставалась постоянной. Однако с уменьшением размеров возросли утечки тока и другие «побочные» эффекты, приводящие к возрастанию тепловыделения, что поставило предел по частоте без чрезмерного вздутия энергопотребления и необходимости в сложных системах охлаждения. В ответ на вызовы индустрия начала использовать новые технологические методы, такие как обратная подводка питания, где питающие дорожки размещаются на задней стороне чипа, а также использование нескольких распределённых кристаллов (чиплетов) и вертикальная упаковка. Однако эти оптимизации скорее являются одним из последних мероприятий в условиях, когда принципиально новые методы производства либо не готовы, либо нецелесообразны с экономической точки зрения. Рост стоимости фотомасок – шаблонов для фотолитографии – также стал значительным барьером.
Если раньше дорогостоящая маска стоила несколько сотен тысяч долларов, то сегодня стоимость за один комплект для самых продвинутых узлов достигает десятков миллионов долларов. Это приводит к тому, что производство микросхем становится доступным только крупным игрокам, способным выпускать миллионы чипов, что создает технологическое и экономическое неравенство и существенно снижает конкурентоспособность нишевых компаний и стартапов. Все эти факторы указывают на то, что Закон Мура в той форме, в которой он существовал на протяжении более полувека, перестаёт быть применимым. Тем не менее, стоит отметить, что изначально Мур подчеркивал экономическую, а не исключительно физическую природу своего закона. Возможность массового производства и приемлемые цены — вот что определяет успех технологии, а не только минимальные размеры транзисторов.
Будущее микроэлектроники может оказаться связано не с дальнейшим масштабированием, а со сменой парадигмы. Речь идет о переходе к более эффективным архитектурам процессоров с учётом программного обеспечения, моделям с высокой степенью параллелизма и устойчивостью к дефектам, а также развитию технологий изготовления, сокращающих зависимость от дорогих и сложных фотолитографических процессов. Появляется также идея, что будущее вычислительной техники будет больше походить на рынок подержанных автомобилей, где разница между технологиями одной и тридцатилетней давности окажется минимальной, а длительный срок службы и переиспользование устройств станет нормой. В таком сценарии рост производительности не будет зависеть от постоянной смены оборудования, а смещения будут достигаться за счёт развития софта и новых архитектур. Инженеры и предприниматели уже сейчас работают над проектами, которые призваны переосмыслить подход к проектированию и производству чипов, делая упор на упрощение технологий с целью снижения стоимости и поддержания жизнеспособности отрасли в условиях пост-Муровского мира.
