Закон мура масштабирование интегральных схем. Закон мура и его влияние на микропроцессоры

Закон Мура. Масштабирование интегральных схем

Сущность микроэлектронной и наноэлектронной технологии. Анализ эмпирических тенденций развития интегральной технологии. Зависимость степени интеграции от времени, описание закона Мура. Принципы и ограничения масштабирования, его основные характеристики.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.

Кафедра «Радиоэлектроники и телекоммуникаций» (РТ)

на тему «Закон Мура. Масштабирование интегральных схем»

по дисциплине «Физические основы микро и нано электроники»

Выполнил: Порываева Н.П.

Проверил: Ушаков Н.М.

2. Принципы масштабирования

3. Ограничения масштабирования

Название «микроэлектроника» связано с тем, что первые транзисторы имели размеры порядка 10 микрометров (микрон). За полвека развития размеры транзисторов уменьшились на несколько порядков величины. Граница между микроэлектронной и наноэлектронной технологиями носит условный характер и проводится на размерах

100 нанометров (0,1 мкм). Это объясняется тем, что удобней оперировать целыми числами — нанометрами, а не долями микрометра. Для оценки размера в 100нм достаточно сказать, что такой размер имеет вирус гриппа. Переход в наноэлектронную область произошел в 1999 году. В 2012 году фирма Intel начала производство схем с технологической нормой 22нм и в настоящее время готовит выпуск схем с технологической нормой 14нм.

Что же касается внедрения в индустрию приборов на новых физических принципах или даже на новых материалах, то это представляется делом достаточно отдаленного будущего (не ранее чем через 20-30 лет). Несомненно, что некоторые уже давно известные и недавно открытые материалы (например, графен — моноатомная 2-х мерная решетка углерода с уникальными электронными и механическими свойствами) займут значительную нишу в будущей электронике. Тем не менее, полное вытеснение кремния как основного материала электроники представляется столь же маловероятным событием, как вытеснение железа в качестве основного конструкционного материала.

Анализ эмпирических тенденций первых 5 лет развития интегральной технологии позволил Гордону Муру (рис. 2.3) сформулировать в 1965г. некоторую закономерность, впоследствии получившую название закона Мура.

Первоначальная формулировка закона звучала следующим образом: «Количество транзисторов на чипе (интегральной схеме) удваивается каждые 12 месяцев». Несмотря на некоторый произвол в формулировке и обосновании, закон Мура имеет определенную физическую основу. Его физическое содержание состоит в идее возможности масштабного уменьшения геометрических размеров микроэлектронных компонентов с сохранением электрических и улучшением функциональных характеристик отдельных приборов и всей схемы в целом (масштабирование, или размерный скейлинг).

Рис. 2.4. Зависимость степени интеграции от времени (закон Мура)

Именно возможность масштабирования микроэлектронных структур явилась технологическим и экономическим основанием, обеспечившим победное шествие закона Мура на протяжении уже почти полувека (рис. 2.4).

Сложившиеся тенденции масштабирования ИС могут быть сформулированы (с определенной степенью точности) следующим образом:

— новое поколение технологии появляется через каждые три года;

— при этом уровень интеграции ИС памяти увеличивается в четыре раза, а логических ИС — в 2-3 раза;

— за каждые два поколения технологии (то есть за 6 лет) минимальный характеристический размер уменьшается в два раза, а плотность тока, быстродействие (тактовая частота), площадь кристалла и максимальное количество входов и выходов увеличиваются в два раза.

Выделяют две основные цели и два вида ограничений при масштабировании МОПТ.

Первая цель заключается в увеличении рабочего тока МОПТ для увеличения быстродействия, которое ограничивается временем заряда и разряда емкостной нагрузки. Увеличение тока стока требует уменьшения длины канала и увеличения электрического поля в подзатворном окисном слое, которое определяет плотность заряда в инверсионном слое.

Вторая цель — уменьшение размеров для увеличения плотности размещения элементов. Это требует уменьшения как длины, так и ширины канала МОПТ, то есть увеличения тока на единицу ширины канала для обеспечения необходимого рабочего тока.

Увеличение количества элементов на одном кристалле (чипе) (то есть повышение степени интеграции) достигается, главным образом, за счет уменьшения так называемой технологической нормы, и, в некоторой степени, за счет роста площади чипа.

Площадь одного чипа, на котором располагается схема памяти или микропроцессор, имеет тенденцию к росту, но в гораздо меньшей степени. В настоящее время типичные размеры чипа составляют 7 В/см).

Другой причиной ограничения масштабирования являются некоторые фундаментальные законы, лежащие в основе работы прибора. Например, подпороговые токи утечки между стоком и истоком определяются больцмановской статистикой надбарьерного перехода носителей между стоком и истоком и, вообще говоря, не зависят от геометрических размеров приборов. Паразитные туннельные токи при масштабировании даже возрастают.

Читать еще:  Топ популярных духов. Рейтинг самых лучших женских ароматов всех времен

Кроме того, при малых размерах начинает работать геометрический фактор, связанный с ухудшением электростатического контроля заряда в канале зарядом на затворе. Это является следствием нарушения планарности и проявлением трехмерности уравнения Пуассона, что приводит к появлению паразитных короткоканальных эффектов.

Возрастание последовательных паразитных сопротивлений истоков/стоков (S/D) — уменьшение максимального тока. Возможное решение состоит в использовании металлических контактов в качестве стоков и истоков .

Обеднение затвора приводит к падению потенциала на затворе и выражается в уменьшении эффективной затворной емкости. Возможное решение состоит в использовании металлических затворов вместо поликремниевых.

Уменьшение размеров и использование нетрадиционных изоляторов уменьшает подвижность. Возможное решение состоит в использовании для увеличения подвижности Si/Ge сплавов и слоев напряженного кремния.

Мировая микроэлектроника, следуя закону Мура, всегда опровергала регулярно выдвигаемые инженерами опасения, что мы вот-вот упрёмся в непреодолимые физические ограничения, после которых отрасль либо застрянет навсегда, либо будет вынуждена перейти на принципиально новые материалы и эффекты. Но как бы не оказалось так, что реальным тормозом будет эффект глобального насыщения: после бурного роста менять каждые год-два процессоры и память как обувь и одежду — на новые, подходящие размеры — уже не потребуется.

Другая проблема в том, что даже в тех применениях, где производительность и память никогда не будут лишними, качественный скачок (вместо очередного удвоения регистров, векторов, кэшей и ядер) может быть лишь при переходе на новый вид элементной базы — графеновой, фотонной, спинтронной, квантовой или прочей «волшебной». Но для её разработки, адаптации к массовому производству и (особенно!) построению самого производства потребуется огромное количество денег — куда большее цены современного фаба. Вполне возможно, лет через 10 (когда нынешнюю литографию растягивать далее уже не получится) никакие частные фирмы это не потянут. А какое из государств даже сегодня захочет профинансировать высокорисковые технологии микроэлектроники будущего?

Зебрев Г.И. Физические основы кремниевой наноэлектрники, М.: БИНОМ, 2011, с. 5-8, 30-53.

Парменов Ю.А. Элементы твердотельной наноэлектроники. Учебное пособие. М.: МИЭТ, 2011, гл. 1.

Балашов А.Г., Крупкина Т.Ю., Лосев В.В., Старосельский В.И. Наноэлектронные устройства и их модели. Учебное пособие. М.: МИЭТ, 2011, с. 16-29.

Красников Г.Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов, Москва: Техносфера, 2011.

Закон Мура

Анализ эмпирических тенденций первых 5 лет развития интегральной технологии позволил Гордону Муру (рис. 2.3) сформулировать в 1965г. некоторую закономерность, впоследствии получившую название закона Мура.

Первоначальная формулировка закона звучала следующим образом: «Количество транзисторов на чипе (интегральной схеме) удваивается каждые 12 месяцев». Несмотря на некоторый произвол в формулировке и обосновании, закон Мура имеет определенную физическую основу. Его физическое содержание состоит в идее возможности масштабного уменьшения геометрических размеров микроэлектронных компонентов с сохранением электрических и улучшением функциональных характеристик отдельных приборов и всей схемы в целом (масштабирование, или размерный скейлинг).

Рис. 2.4. Зависимость степени интеграции от времени (закон Мура)

Именно возможность масштабирования микроэлектронных структур явилась технологическим и экономическим основанием, обеспечившим победное шествие закона Мура на протяжении уже почти полувека (рис. 2.4).

Сложившиеся тенденции масштабирования ИС могут быть сформулированы (с определенной степенью точности) следующим образом:

  • — новое поколение технологии появляется через каждые три года;
  • — при этом уровень интеграции ИС памяти увеличивается в четыре раза, а логических ИС — в 2-3 раза;
  • — за каждые два поколения технологии (то есть за 6 лет) минимальный характеристический размер уменьшается в два раза, а плотность тока, быстродействие (тактовая частота), площадь кристалла и максимальное количество входов и выходов увеличиваются в два раза.

Выделяют две основные цели и два вида ограничений при масштабировании МОПТ.

Первая цель заключается в увеличении рабочего тока МОПТ для увеличения быстродействия, которое ограничивается временем заряда и разряда емкостной нагрузки. Увеличение тока стока требует уменьшения длины канала и увеличения электрического поля в подзатворном окисном слое, которое определяет плотность заряда в инверсионном слое.

Вторая цель — уменьшение размеров для увеличения плотности размещения элементов. Это требует уменьшения как длины, так и ширины канала МОПТ, то есть увеличения тока на единицу ширины канала для обеспечения необходимого рабочего тока.

Увеличение количества элементов на одном кристалле (чипе) (то есть повышение степени интеграции) достигается, главным образом, за счет уменьшения так называемой технологической нормы, и, в некоторой степени, за счет роста площади чипа.

Площадь одного чипа, на котором располагается схема памяти или микропроцессор, имеет тенденцию к росту, но в гораздо меньшей степени. В настоящее время типичные размеры чипа составляют

Закон Мура больше не работает. Как развивает вычислительная техника сегодня

В 1965 году один из основателей корпорации Intel Гордон Мур впервые заметил, что каждые два года количество транзисторов на квадратный дюйм интегральных схем увеличивается в два раза. Основываясь на этих данных, он сформулировал так называемый закон Мура, согласно которому вычислительная мощность компьютеров экспоненциально увеличивается каждые два года. Чуть позже, когда темпы производства немного замедлились, другой сотрудник Intel Давид Хаус снизил этот показатель до 18 месяцев. Однако сейчас эта константа развития вычислительной техники практически не работает. «Хайтек» разобрался, как сейчас развивается компьютерный рынок и как в 2019 году создаются процессоры и другие важнейшие вычислительные устройства.

Читать еще:  Названия кабинетов в офисе к 23 февраля

Как появился закон Мура

Гордон Мур в своем прогнозе 1965 года предсказал, что за десять лет — к 1975 году — количество элементов в каждом чипе вырастет с 26 (64 единицы) до 216 (65 536 единиц). По словам Мура, при сохранении такой тенденции мощности процессоров за достаточно короткий промежуток времени будут расти экспоненциально — то есть в два раза, именно это и стало называться законом Мура.

Почти через 40 лет после своего прогноза, в 2003 году, Мур начал сомневаться в продолжительности действия такого развития вычислительной техники. В своей научной работе No Exponential is Forever: But Forever Can Be Delayed! («Экспоненциальный рост не вечен, но эту вечность можно отложить!» — «Хайтек») он пояснил, что такой рост величин в течение длительного времени практически невозможен, поскольку техника в том виде, в котором она существовала, постоянно упирается в различные именно физические пределы. Для радикального роста инженерам приходилось достаточно сильно менять саму структуру транзисторов и открывать новые материалы, из которых их можно собирать.

Транзисторы. История появления

Транзистором называют радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, который на сегодняшний день является основным рабочим компонентом всех электронных устройств и микросхем. Он может от небольшого входного сигнала управлять током в выходной цепи, что позволяет его использовать для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов.

Первый транзистор появился спустя десятилетия исследований ученых со всего мира у группы физиков под руководством Джозефа Бекера. Их финансировала компания Bell Telephone Laboratories, одна из самых наукоемких и богатых в США рубежа 1940-х. Еще один физик, Уильям Браттейн, спустя многолетние не очень удачные исследования твердотельных приборов однажды случайно сблизил два игольчатых электрода на поверхности германия, да еще перепутал полярность напряжений питания, и вдруг заметил влияние тока одного электрода на ток другого. Уже через полгода — к середине 1947 года — у них заработал первый твердотельный усилитель, который считают первым в мире транзистором.

Bell Labs сразу оформила патент на это изобретение, но технология была очень нестабильной и имела массу проблем. Первые транзисторы, поступившие в продажу в 1948 году, работали ненадежно — если их потрясти, коэффициент усиления резко менялся, а при нагревании устройства совсем переставали работать.

В 1952 году Bell Labs решила предоставить права на изготовления транзистора всем компаниям, которые смогут заплатить $25 тыс. за пользование патентом. И уже в 1953 году на рынке появилось первое коммерческое изделие на основе транзисторов — слуховой аппарат от пионера в этой области Джона Килби из компании Centralab.

После этого транзисторы заменили все радиолампы в электронных устройствах. Начиная с первых транзисторов по сегодняшний день, все микросхемы используются в качестве так называемых планарных или плоских транзисторов. Последние 50 лет инженеры пытались уменьшить размеры транзисторов, чтобы на одну плату могло влезть как можно больше подобных схем. Например, если в 1965 году в микросхему можно было встроить 30 транзисторов, то теперь — около 55 млн.

Во время эволюции транзисторов менялись не только их размеры, но и материалы, а также геометрия и технологии производства. При этом уменьшение транзистора влияет и на его рабочие характеристики, поскольку уменьшив его, например, в пять раз, увеличивается его скорость работы — тоже в пять раз.

Основная проблема, связанная с уменьшением размера транзистора, сталкивается с тем, что увеличение количества транзисторов приводит к росту потребляемой мощности и обычному перегреву микросхемы. Он происходит из-за утечки тока через слой диэлектрика, который приходится также снижать при уменьшении самого транзистора.

Альтернативой обычным стали SOI-транзисторы, в которых слой диэлектрика добавляют вглубь кремния для остановки утечки тока. Это позволяет даже повысить скорость работы транзисторов на 25%, однако у технологии есть и недостаток. Для работы таких схем необходимо повышать напряжение, что негативно сказывается на характеристиках. Таким образом, обычные кремниевые транзисторы подошли к физическому пределу, для преодоления которого ученым приходится не просто менять принцип работы устройства, а создавать новые схемы передачи электронов. Из-за этого закон Мура сейчас практически перестал работать.

Сейчас ученые активно развивают технологию создания вакуумных транзисторов, поскольку вакуум — намного более выгодная среда для передачи электронов, нежели твердое тело. Вакуумное устройство может стать первым полноценным терагерцевым транзистором, работающим намного быстрее кремниевых. Еще одной заменой кремниевых могут стать графеновые или состоящие из нанотрубок устройства, однако все эти технологии пока находятся на стадии разработки.

Закон Мура больше не работает?

Уже в 2007 году сам Мур заявил, что действие этого закона больше невозможно из-за фундаментальных причин — атомарной природы вещества и ограничения скорости света, которое не позволяет процессорам работать еще быстрее.

Читать еще:  Что такое шанель. История компании Chanel

Критика закона Мура появилась почти сразу после его появления. Одним из самых уязвимых мест этой концепции был пункт, что при экспоненциальном увеличении мощностей процессоров их стоимость каждый раз уменьшается примерно на такой же порядок. Если в 1969 году стоимость создания первого персонального компьютера H316 от компании Honeywell составляла более $10 тыс., то к 1971 году она должна была снизиться до $5 тыс., а к 1973 году — до $2,5 тыс.. Однако в 1975 году фирма MOS Technology, Inc. начала производство компьютера KIM-1, который стоил $245.

Постоянно критиковались не только финансовые стороны этого закона, но и невозможность переложить его на другие сферы. В 1983 году издание Scientific American в своем материале заявило, что «закон Мура абсолютно невозможно использовать не только в промышленности в широком смысле этого слова, но и практически во всех отраслях, смежных с вычислительной техникой».

Если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как промышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолет Boeing 767 стоил бы $500 и совершал облет земного шара за 20 минут, затрачивая при этом пять галлонов (

18,9 л) топлива. Приведенные цифры весьма точно отражают снижение стоимости, рост быстродействия и повышение экономичности ЭВМ.

Scientific American

Закон Рока

Существует также закон Рока, названный в честь известнейшего инвестора Артура Рока. Согласно ему, размер прибыли компании по производству таких чипов также должен удваиваться каждые четыре года. По сути, закон Рока можно рассматривать как обратную сторону закона Мура, когда развитие технологий рассматривается только с экономической точки зрения.

Артур Рок отмечал, что закон Мура может работать только в случае роста прибыли корпораций, которые занимаются созданием вычислительной техники. Если достаточно капиталоемкая полупроводниковая промышленность начинает приносить большую прибыль, инвесторы начинают еще больше вкладывать деньги в эту отрасль, что снова дает резкий рост технической стороне.

При этом за последние 50 лет стоимость производства транзисторов упала в тысячи раз, и сейчас она обходится не дороже цены, которую в типографии берут за один знак, например, за точку.

По прогнозам, закон Мура будет действовать, хоть и в несколько видоизмененном формате, до конца 2025 года. В 2014 году компания Intel заявила, что темпы разработки транзисторов уменьшились, а сроки работы закона Мура скорректировались до 2,5 лет. Как будет развиваться вычислительная техника после 2025 года, до конца не ясно.

Сейчас только две компании смогли создать транзисторы с такими техническими характеристиками и стоимостью, которые соответствовали бы прогнозам Мура — корпорации TSMC и Samsung Electronics, с производственными узлами в 10 нм, 7 нм и 5 нм (и еще планируют узлы в 3 нм). При этом темпы Intel и других бывших лидеров этого направления достаточно сильно упали.

Тем более, что еще в 2012 году исследовательская группа из Университета Нового Южного Уэльса объявила о разработке первого рабочего транзистора, состоящего из одного атома, размещенного точно в кристалле кремния (а не только из большой выборки случайных транзисторов). Закон Мура предсказал, что этот рубеж будет достигнут только к 2020 году. После создания такого типа транзисторов технологиям будет практически некуда развиваться дальше.

Многие участники рынка предполагают, что очередная революция в вычислительной технике произойдет с появлением первых квантовых компьютеров. Однако сейчас, даже несмотря на появление громких новостей, до его создания пока достаточно далеко.

Квантовый компьютер считается потенциальным вычислительным устройством следующего поколения, который будет работать на явлениях квантовой механики — квантовой суперпозиции и квантовой запутанности. В отличие от обычных компьютеров, он будет оперировать не битами с возможными значениями 0 или 1, а кубитами — они будут иметь одновременно значение и 0, и 1.

Теоретически это позволит обрабатывать все возможные состояния кубита одновременно, значительно увеличивая скорость работы компьютера. На сегодняшний день реально работающих квантовых компьютеров пока не существует.

Еще одним вектором для развития вычислительной техники может являться более традиционный подход — в частности, создание новых материалов, из которых можно собирать транзисторы. Ведь первоначально проводники делались из различных металлов с легирующими примесями — индия, галлия и алюминия, но постепенно инженеры начали экспериментировать над разными материалами для полупроводниковых транзисторов. В том числе начал использоваться германий, на смену которому пришел кремний — он используется и на сегодняшний день. Каждый используемый материал обладал собственной скоростью передачи электронов, а также уникальными характеристиками, например, теплопередачей или мощностью работы. Обычный кремниевый транзистор не может работать под напряжением более 1 кВ, тогда как вакуумные лампы намного эффективнее их в этом вопросе.

Другие эксперты считают, что будущее вычислительной техники — за соединением искусственного интеллекта и органических веществ для создания биокомпьютера. Однако такие разработки пока находятся несколько на периферии технологической мысли или в области научной фантастики.

Источники:

http://revolution.allbest.ru/radio/00511156_0.html
http://studwood.ru/1780938/tehnika/zakon_mura
http://hightech.fm/2019/08/19/moore

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector