В текущем году одному из наиболее известных эмпирических законов в ИТ-сфере, «закону Мура», по действующим нормам ещё рано уходить на заслуженный отдых: впервые Гордон Мур, занимавший в то время пост топ-менеджера в Fairchild Semiconductor, а впоследствии ставший сооснователем Intel, сформулировал его в 1965 году, всего лишь 61 год назад. Первоначально исследователь высказал гипотезу, что количество элементарных компонентов (транзисторов) на интегральных микросхемах будет удваиваться ежегодно, — и в течение последующего десятилетия его предсказание блестяще подтверждалось. В 1975 году правило пришлось немного скорректировать: удвоение того же количественного показателя отныне ожидалось раз в два года, — и в такой формулировке «закон Мура» сохранял силу более двадцати пяти лет. В начале 2000-х необходимость вновь заставила внести поправку на замедление (если считать таковым постоянно возрастающее по мере уменьшения технологических норм сопротивление среды полупроводниковых разработок: удорожание оборудования и НИОКР в целом, ужесточение требований к чистоте материалов и реагентов, проявление квантовых свойств материалов на наномасштабах и тому подобное): чипы с вдвое большей, чем прежде, производительностью — заметьте, речь уже шла не только о количестве транзисторов; в расчёт стали также брать рабочие частоты микросхем — начали появляться каждые 18 месяцев. А в 2015 году, выступая по случаю полувекового юбилея знакового для всей ИТ-отрасли «закона» в Музее технологий Сан-Франциско, сам Мур, к тому моменту уже 86-летний ветеран полупроводниковой индустрии, предупредил, что правило его имени не будет действовать вечно — но при должной инженерной смекалке на него можно рассчитывать ещё лет 5–10.
В своей знаменитой статье Гордон Мур уверенно провёл линию через четыре экспериментальные точки, продлив её на десятилетие вперёд, — и этот подход настолько пришёлся по душе всей ИТ-индустрии, что превращённый в самосбывающееся пророчество «закон Мура» остаётся актуальным и сегодня (источник: Electronics, Vol. 38, No. 8, April 19, 1965)
К 2026 году отведённый патриархом микроэлектроники срок, по сути, уже окончательно истёк. Почему же исследователи до сих пор с завидным упорством продолжают поддерживать «закон Мура», предлагая и даже начиная внедрять как минимум три направления его эволюции: More Moore («больше Мура» — последовательное совершенствование КМОП-технологий с размещением всё большего числа транзисторов, работающих на всё более высоких частотах, на квадратном миллиметре), More than Moore («больше чем Мур» — вертикальное объединение разнородных чиплетов, решающих специализированные задачи и обеспечивающих тот же поступательный и предсказуемый рост производительности микросхем) и Beyond Moore («после Мура» — здесь уже рассматривается отказ от полупроводников в пользу фотоники, нейроморфики и других перспективных технологий)? Зачем, не жалея ресурсов, чертить прямую линию, которая задаёт вектор развития мировой чипмейкерской индустрии на среднесрочную перспективу? Неужели у этой индустрии нет более серьёзных насущных проблем — например, острой нехватки полупроводников на фоне вызванного искусственным интеллектом ажиотажного спроса на специализированные серверные вычислители и соответствующую память?
⇡#Капитал там правит бал
В своё время мы детально разобрались, почему глобальная IT-индустрия с таким неподдельным энтузиазмом ухватилась за эмпирическое наблюдение, сделанное Муром: стоимость полупроводникового чипа с высокой точностью обратно пропорциональна количеству входящих в него элементарных элементов. Иными словами, если в 1966 году на рынок выходил процессор с вдвое большим числом транзисторов, чем у модели 1965 года, затраты на производство этих двух микросхем оказывались почти одинаковыми, — при этом, разумеется, более мощный чип стоил для заказчика дороже. Однако тот не оставался в проигрыше: получив возможность решать свои текущие задачи вдвое быстрее, клиент достаточно быстро окупал свои вложения — и сам начинал получать чистую прибыль от использования обновлённого компьютера. Такая система устраивала всех, от создателей электроники до её конечных потребителей: ведь если неумолимое движение прогресса благодаря «закону Мура» обрело чётко предсказуемую скорость, то и планировать свой бизнес всем участникам IT-рынка стало невероятно просто. В беседе с Гордоном Муром на уже упомянутом праздновании 50-летия его «закона» в Сан-Франциско Брайан Кржанич (Brian Krzanich), тогдашний генеральный директор Intel, прямо назвал это правило «не столько физической, сколько экономической» закономерностью; «метрономом» для всей Кремниевой долины: «Следуя задаваемому им ритму, вы достигаете успеха. Отстаёте — всё; считайте, что конкуренты вас опередили». Вырываться вперёд, кстати, тоже особого смысла не было: удвоение условной производительности ЦП раз в полтора-два года — темп уже вполне достаточный, и тратить лишние средства лишь для того, чтобы временно обогнать соперников на несколько процентов, не имея твёрдых гарантий удержать достигнутое преимущество на следующем цикле, никому не хотелось. Так самым естественным образом «закон Мура» и стал самосбывающимся — точнее, осознанно и тщательно соблюдаемым всеми заинтересованными сторонами — пророчеством.
«Дорожная карта» интеграции подходов More Moore и More than Moore была намечена ещё в 2011 году, — и даже намёк на Beyond Moore (облачко с надписью, указывающей на развитие отличных от КМОП технологий) здесь уже присутствует (источник: ITRS)
Однако довольно быстро это предсказание столкнулось с суровой действительностью. Прежде всего — в виде программистов, которым планомерное увеличение вычислительной мощности процессоров и доступных объёмов памяти в серийных компьютерах настолько вскружило голову, что они начали уделять гораздо меньше внимания оптимизации создаваемого кода по сравнению с домурской эпохой (до 1965 года) мэйнфреймов. И дело здесь вовсе не в лени: во-первых, за короткий срок число программистов значительно выросло, а нагрузка на них увеличилась, что неизбежно привело к снижению среднего качества выдаваемого кода. Во-вторых, работодатели этих программистов с энтузиазмом взялись за освоение не только научных и бюджетных задач (таких как ядерный проект, космическая программа и прочее), но и коммерческих — поэтому приоритетными стали скорость разработки и расширение возможностей программного обеспечения. По сути, бесплатное и гарантированное на годы вперёд повышение производительности «железа» позволяло скрывать слабую оптимизацию постоянно расширяющего функциональность ПО — и одновременно стимулировало развитие языков высокого уровня и сложных фреймворков, которые требуют значительных объёмов оперативной памяти и мощных процессоров. Да что там; даже на начальном этапе развивать машинное обучение и искусственный интеллект, не опираясь на чёткий график появления на рынке всё более мощных аппаратных средств, вряд ли кто-то решился бы. Так что если бы ИТ-индустрия не соблюдала «закон Мура» десятилетиями, никакого ажиотажа вокруг ИИ до сегодняшнего дня, скорее всего, и не возникло бы.
Однако в практической сфере, на уровне программного обеспечения, напрямую выполняемого для нужд заказчика, особенно массового назначения — текстовых редакторов, бухгалтерских систем, видеоигр и тому подобного, — «закон Мура» достаточно быстро столкнулся с противовесом в виде не менее эмпирического «закона Вирта»; нередко упоминают и «закон Гейтса» как более точную версию последнего. В 1995 году Никлаус Вирт (Niklaus Wirth — учёный из прославленной Швейцарской высшей технической школы Цюриха, ETH Zurich, и автор языка Pascal) кратко изложил общий принцип, истинность которого к тому моменту была уже совершенно очевидна для каждого, кто писал или применял программы: «Программное обеспечение замедляется быстрее, чем ускоряется аппаратное». Строго говоря, сам Вирт чётко указал, что автором этого утверждения — которое он поместил на первой странице журнала Computer, издаваемого IEEE, — является Мартин Райзер (Martin Reiser), прежде работавший в IBM Research, а затем возглавлявший Институт медиакоммуникаций им. Фраунгофера в Санкт-Аугустине, Германия. В колонке, содержавшей эту меткую фразу, которая позже закрепилась в компьютерном сообществе именно как «закон Вирта», автор, в частности, сожалел о том, что в начале 1970-х годов он спокойно работал в текстовом редакторе, занимавшем 8 Кбайт оперативной памяти, — тогда как софт, потребовавшийся для написания той же самой статьи четверть века спустя, уже нуждался в стократно большем объёме ОЗУ. Чуть позднее эту же мысль анонимные острословы из отрасли переделали в стиль библейского стиха из Библии короля Иакова: Groves giveth, and Gates taketh away («Что Гроув даёт, то Гейтс забирает»), подразумевая компенсацию роста аппаратной мощи ПК — благодаря усилиям инженера и предпринимателя Энди Гроува (Andy Grove), сыгравшего ключевую роль в переходе Intel от выпуска чипов памяти к созданию микропроцессоров, — аналогичным увеличением объёма вычислений, требуемых для выполнения прикладных задач. А за последнее спасибо (с особым оттенком) предлагалось говорить тогдашнему главе Microsoft Биллу Гейтсу (Bill Gates), — неоптимальность кода Windows и других продуктов этой компании к концу прошлого века стала в ИТ-сфере притчей во языцех. В итоге из довольно общего «закона Вирта» родился точный, хоть и с обратным знаком, аналог «закона Мура» в уточнённой к тому времени формулировке «закона Гейтса»: «Скорость выполнения программного обеспечения уменьшается вдвое каждые 18 месяцев».
Установка для литографии микросхем по техпроцессу «Intel 18A» обладает колоссальными размерами и столь же колоссальной стоимостью — это яркий пример подхода More Moore: кошка хоть и упирается, но ещё немного прогресса удастся выдавить за счёт интенсивного инженерного давления (источник: Intel)
⇡#Мельче, ещё мельче!
Маркетинговое значение «закона Мура» — особенно на фоне уравновешивающего его по производительности прикладного ПО «закона Гейтса» — к началу нынешнего столетия стало неоспоримым основанием для того, чтобы как можно дольше придерживаться этого эмпирического правила. Даже такие серьёзные экономические потрясения, как крах доткомов или финансовый кризис 2008 года, на стратегическом уровне прошли для глобальной полупроводниковой индустрии незаметно — всё благодаря прочной сети долгосрочных взаимных обязательств, связавших чипмейкеров, поставщиков и заказчиков вычислительной техники по всему миру, каждый из которых опирался на «закон Мура» как на ориентир при составлении своих бизнес-планов. И когда физические размеры транзисторного затвора на кремниевых микросхемах начали неумолимо приближаться к физическому пределу, короче которого этот полупроводниковый элемент изготовить просто невозможно, — примерно 25 нм, — буквально вся индустрия с энтузиазмом принялась искать способы обойти эту заколдованную черту или даже проникнуть сквозь неё. В 2016 году Институт инженеров электротехники и электроники, IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), представил международную дорожную карту для устройств и систем — International Roadmap for Devices & Systems (IRDS), которая как раз и указала два наиболее очевидных пути спасения самоподдерживающегося, а заодно и поддерживающего всю глобальную ИТ-индустрию, пророчества: More Moore и More than Moore.
Первый путь, экстенсивный, несмотря на множество технологических сложностей, всё же базируется на более чем пятидесятилетнем опыте развития полупроводниковой фотолитографии — поэтому относительные расходы на движение по нему значительно меньше, чем по второму (More than Moore) и тем более по третьему (Beyond Moore). Собственно, мы уже неоднократно отмечали это в статьях, посвящённых разным перспективным направлениям развития вычислительной техники: при всех несомненных (будущих) преимуществах принципиально новые технологии в любом случае потребуют огромных инвестиций хотя бы для того, чтобы достичь уровня полупроводниковых производств тех времён, когда Гордон Мур формулировал первую версию своего «закона». А таких свободных средств в нынешних макроэкономических условиях, пожалуй, нет даже ни у одного государства, не говоря уже о частных инвесторах.
Во время выступления в Сан-Франциско в 2015-м Гордон Мур предупреждал об угрозе отставания американской научной школы, десятилетиями почивавшей на бесспорных лидерских лаврах: «Наши позиции в мире в области фундаментальной науки сильно ухудшились, — сказал он. — Другие страны тратят на фундаментальные исследования больше, чем мы, а наши разработки теряют базу» (источник: VentureBeat)
Таким образом, экстенсивный подход «больше Мура» сегодня прослеживается в самых передовых серийных техпроцессах — будь то «18A» и «14A» у Intel, или соответствующие «2-нм» нормы у TSMC и Samsung. Теоретически рецепт прост: если размеры транзисторов невозможно дальше уменьшать за счёт геометрического сокращения площади их элементов (прежде всего затвора), нужно искать способы проектировать эти транзисторы иначе — не отказываясь при этом от ключевой КМОП-парадигмы, чтобы по-прежнему опираться на проверенные полупроводниковые технологии. Один из самых очевидных вариантов — переход от конструкции FinFET с «плавником» или «гребнем» к архитектуре RibbonFET (разновидности Gate-All-Around/GAA с кольцевым или «обнимающим» затвором). Многослойные плоские нанолистовые каналы таких транзисторов затвор охватывает со всех четырёх сторон, предотвращая тем самым утечки тока за счёт эффектов квантового туннелирования: если нет подзатворной области, где такие эффекты проявляются в плоских транзисторах, то нет и утечек.
Другие усовершенствования, предложенные Intel, также направлены на повышение плотности затворов на микросхеме: это PowerVia и PowerDirect — подача питания на элементы логических схем с обратной стороны кристалла. Дело в том, что традиционное размещение силовых шин в слоях выше логических контуров, начиная с определённого уровня миниатюризации, вызывает паразитные помехи от питающих токов. Для минимизации таких помех приходится разносить транзисторы дальше друг от друга, чтобы шины питания находились на достаточном расстоянии от логических контуров — а PowerVia в случае «18A» и PowerDirect для «14A» решают эту проблему, позволяя эффективно увеличивать плотность транзисторов на чипе. Наконец, с внедрением высокоапертурных литографов — High-NA EUV — для техпроцесса «14A» удастся ещё сильнее сократить промежутки между транзисторами, реализуя геометрическое масштабирование микросхем уже почти на физически достижимом пределе. Далее речь может идти о внедрении дополнительных технологий, способствующих миниатюризации — двумерных полупроводниковых материалов, вертикального размещения n- и p-полупроводниковых зон на чипе (CFET — complementary FET) и тому подобного. Однако все эти ухищрения подхода More Moore по-прежнему будут опираться на хорошо отлаженную инженерно-производственную базу, что сделает их коммерчески оправданными.
Процесс производства монолитных CFET-транзисторов в рамках технологического цикла (источник: IEEE)
⇡#За гранью известного
Концепция «Больше чем Мур» может быть воспринята как промежуточная стратегия: она не предполагает отказа от полупроводниковых технологий, а лишь дополняет их путем функционального разнообразия интегральных схем — с внедрением новых материалов и включением в логические цепи нецифровых элементов. Собственно говоря, интеграция различных датчиков или аналоговых цепей в единую систему с КМОП-логикой не является конечной целью; главное, к чему стремятся сторонники этого направления, — это отказ от цельного универсального кристалла и его преобразование в составной, собранный из разнородных чиплетов с высокоскоростными соединениями между ними — с использованием таких решений, как Intel Foveros или TSMC CoWoS. В рамках подхода «больше чем Мур» по сути происходит деконструкция изначальной концепции сверхбольших интегральных схем: отдельные функциональные блоки — центральные и графические процессоры, тензорные и нейронные вычислители — настолько усложнились к настоящему времени, что нет смысла тратить колоссальные инженерные ресурсы на их объединение в единый физический кристалл: он окажется слишком большим. Да, существует проверенный Cerebras Systems максималистский подход — размещать на целой (диаметром 300 мм) пластине-заготовке один-единственный монолитный кристалл, — но и здесь не избежать множества ограничений, особенно в плане универсальности применения такой «царь-микросхемы».
Чиплетный подход, который в целом представляет собой направление More than Moore, развивается в сфере информационных технологий уже свыше 40 лет, что служит дополнительным подтверждением его перспективности — технологический задел здесь также накоплен весьма значительный. Правда, до настоящего времени этот метод применялся лишь локально, при создании ограниченного набора сверхбольших интегральных схем сравнительно небольшими партиями, из-за чего стоимость получаемой подобным образом продукции оставалась довольно высокой — а ведь, напомним ещё раз, вся суть возрождения «закона Мура» как раз и состоит в том, чтобы вернуть полупроводниковую отрасль на стабильный курс не просто предсказуемого, а буквально планового регулярного обновления с целью обеспечить всем, кто решится вложить в неё значительные средства, возврат инвестиций в строго оговорённые на старте проекта сроки. По этой причине разработчики микросхем, уже активно делающие ставку на чиплеты — AMD, Intel, Marvell и многие другие, — всё более предметно задумываются о стандартизации чиплетных межсоединений, что позволит привлечь к производству такого рода полупроводниковых устройств сторонних изготовителей чиплетов. Ведь далеко не каждый чиплет обязан соответствовать модным сегодня «2-нм» производственным нормам, чтобы успешно справляться со своей задачей. А значит, появится возможность переложить часть нагрузки по изготовлению чипов на «морально устаревшие», но всё ещё работоспособные и широко доступные фабрики, увеличив тем самым объёмы выпуска готовой продукции и снизив её себестоимость.
Эволюция многокристальных (multi-die) технологий за последние десятилетия: от простых модулей с несколькими припаянными чипами к гетерогенной интеграции разнородных (полупроводниковых и на основе фотоники) схем (источник: Cadence)
