В текущем году одному из наиболее известных в IT-сфере эмпирических законов, «закону Мура», согласно действующему законодательству еще рано выходить на пенсию: впервые Гордон Мур, тогдашний руководитель Fairchild Semiconductor, а позднее сооснователь Intel, сформулировал его в 1965-м, всего 61 год назад. Первоначально исследователь предположил, что количество базовых компонентов (транзисторов) на интегральных микросхемах будет удваиваться ежегодно — и на протяжении последующего десятилетия его предсказание отлично подтверждалось. В 1975 году пришлось внести небольшую корректировку: удвоение того же количественного показателя отныне ожидалось каждые два года — и в таком виде «закон Мура» просуществовал более 25 лет. В начале 2000-х необходимость снова заставила внести поправку на инерцию (если считать таковой неуклонно растущее по мере уменьшения технологических норм сопротивление среды полупроводниковых разработок: удорожание оборудования и НИОКР в целом, повышение требований к чистоте материалов и реагентов, проявление квантовых свойств материалов на наномасштабах и т. д.): чипы с вдвое большей производительностью — обратите внимание, речь уже шла не только о количестве транзисторов; в расчет начали включать и рабочие частоты микросхем — стали появляться раз в 18 месяцев. А в 2015-м, выступая в честь 50-летия знакового для всей IT-отрасли «закона» в Музее технологий Сан-Франциско, сам Мур, уже 86-летний ветеран полупроводниковой индустрии, предупредил, что правило его имени не будет действовать вечно — но при должной инженерной изобретательности еще лет на 5–10 можно рассчитывать.
В своей знаменитой статье Гордон Мур уверенно провёл прямую линию через четыре экспериментальные точки, продлив её на десятилетие вперёд — этот ход настолько впечатлил всех в ИТ-сфере, что превратившийся в самоисполняющееся предсказание «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. Так почему же исследователи до сих пор с завидным упорством продолжают поддерживать «закон Мура», предлагая и даже начиная воплощать как минимум три направления его дальнейшего развития: More Moore («больше Мура» — линейное усовершенствование КМОП-технологий с размещением всё большего числа транзисторов, работающих на всё более высоких частотах, на квадратный миллиметр), More than Moore («больше чем Мур» — вертикальное объединение разнородных чиплетов, решающих специализированные задачи и эффективно обеспечивающих тот же последовательный и предсказуемый рост производительности чипов) и Beyond Moore («после Мура» — здесь уже обсуждается отказ от полупроводников в пользу фотоники, нейроморфики и других перспективных технологий)? Зачем, не жалея ресурсов, чертить прямую линию, которая определяла бы направление развития мировой чипмейкерской индустрии на среднесрочную перспективу? Неужели у этой самой индустрии нет более серьёзных насущных проблем — например, острой нехватки полупроводников на фоне ажиотажного спроса, вызванного искусственным интеллектом на специализированные серверные вычислители и память для них?
⇡#Капитал там правит бал
В своё время мы детально разобрались, почему мировая IT-индустрия с таким неподдельным воодушевлением ухватилась за эмпирическое наблюдение, сделанное Муром: стоимость полупроводникового чипа с высокой точностью обратно пропорциональна числу входящих в него базовых элементов. Иными словами, если в 1966 году на рынок поступал процессор с вдвое бóльшим количеством транзисторов по сравнению с моделью 1965-го, затраты на производство этих двух микросхем были почти одинаковыми, — однако для покупателя, разумеется, более мощный чип стоил дороже. Но клиент не оставался в убытке: получив возможность решать свои задачи вдвое быстрее, он довольно скоро окупал потраченные средства — и начинал получать чистый доход от работы обновлённого компьютера. Такая модель устраивала всех — от разработчиков электроники до конечных пользователей: ведь раз прогресс, благодаря «закону Мура», приобрёл чётко предсказуемую скорость, то и планировать свой бизнес участникам IT-рынка стало невероятно удобно. В беседе с Гордоном Муром на уже упомянутом праздновании 50-летия его «закона» в Сан-Франциско Брайан Кржанич (Brian Krzanich), тогдашний гендиректор Intel, назвал это правило «не столько физической, сколько экономической» закономерностью; «метрономом» для всей Кремниевой долины: «Если вы следуете его ритму, то добиваетесь успеха. Отстаёте — всё, конкуренты вас обогнали». Обгонять других, кстати, тоже не имело особого смысла: удвоение условной производительности процессора раз в полтора-два года — темп вполне достаточный, и тратить лишние средства лишь для того, чтобы временно опередить соперников на несколько процентов, не имея гарантий удержать преимущество в следующем цикле, никому не хотелось. Так самым естественным образом «закон Мура» и стал самосбывающимся — точнее, осознанно и скрупулёзно 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)
Впрочем, довольно скоро это предсказание столкнулось с суровой действительностью. В первую очередь — в лице программистов, которым планомерное увеличение вычислительной мощности процессоров и объемов памяти, доступной массовым компьютерам, настолько вскружило голову, что они начали уделять гораздо меньше внимания оптимизации создаваемого кода по сравнению с домурской эпохой мэйнфреймов (до 1965 года). И дело здесь вовсе не в лени: во-первых, за короткий срок число программистов резко возросло, а нагрузка на них увеличилась, что неизбежно привело к снижению среднего качества выдаваемого кода. Во-вторых, работодатели этих программистов с энтузиазмом начали осваивать не только научные и государственные проекты (ядерные разработки, космические программы и так далее), но и коммерческие задачи — поэтому приоритетными стали скорость разработки и расширение функциональности программного обеспечения. По сути, бесплатное и гарантированное на годы вперед повышение производительности «железа» позволяло скрывать недостатки оптимизации постоянно расширяющего свои возможности ПО — и одновременно стимулировало развитие языков высокого уровня и сложных фреймворков, требующих значительных объемов оперативной памяти и мощных процессоров. Более того; даже в первом приближении развивать машинное обучение и искусственный интеллект, не опираясь на четкий график появления на рынке все более мощного оборудования, вряд ли кто-то взялся бы. Так что если бы ИТ-индустрия десятилетиями не соблюдала «закон Мура», никакого ажиотажа вокруг ИИ до сих пор, скорее всего, не возникло бы.
Однако в практической сфере, на уровне программного обеспечения, выполняемого непосредственно для нужд заказчика, особенно массовых продуктов — текстовых редакторов, бухгалтерских систем, игр и тому подобного, — «закон Мура» довольно быстро столкнулся с противовесом в виде не менее эмпирического «закона Вирта»; нередко упоминается и «закон Гейтса» как его уточнённая версия. В 1995 году Никлаус Вирт (Niklaus Wirth — учёный из знаменитой Швейцарской высшей технической школы Цюриха, ETH Zurich, и создатель языка Pascal) кратко изложил общее правило, чья справедливость к тому времени была уже совершенно очевидна для всех, кто разрабатывал или использовал программы: «Программное обеспечение замедляется быстрее, чем ускоряется аппаратное». Строго говоря, сам Вирт чётко указал, что автором этой фразы — которую он поместил на первой странице журнала Computer, издаваемого IEEE, — является Мартин Райзер (Martin Reiser), ранее сотрудник IBM Research, а затем директор Института медиакоммуникаций им. Фраунгофера в Санкт-Аугустине, Германия. В колонке, содержавшей эту хлёсткую фразу, впоследствии закрепившуюся в компьютерном сообществе именно как «закон Вирта», сам Вирт сетовал, в частности, на то, что в начале 1970-х годов он спокойно работал в текстовом редакторе, занимавшем 8 Кбайт памяти, — тогда как ПО, необходимое для написания той же самой статьи четверть века спустя, уже требовало в сотню раз больше оперативной памяти. Чуть позже ту же идею анонимные отраслевые острословы переложили 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 производства чипов памяти к созданию микропроцессоров, — аналогичным увеличением объёма вычислений, требуемых для прикладных задач. А за последнее спасибо (с особой интонацией) предлагалось адресовать тогдашнему главе Microsoft Биллу Гейтсу (Bill Gates), — неоптимальность кода Windows и других продуктов этой компании к концу прошлого века стала в ИТ-отрасли притчей во языцех. В итоге из довольно общего «закона Вирта» получился точный, хоть и с обратным знаком, аналог «закона Мура» в его уточнённой к тому времени формулировке «закона Гейтса»: «Скорость работы программного обеспечения снижается вдвое каждые 18 месяцев».
Установка для литографии микросхем по техпроцессу «Intel 18A» обладает колоссальными размерами и столь же колоссальной стоимостью — это наглядное воплощение подхода More Moore: хоть и с трудом, но под напором экстенсивных инженерных усилий удаётся выжать ещё немного прогресса (источник: Intel)
⇡#Меньше, ещё меньше!
Маркетинговое значение «закона Мура» — особенно на фоне уравновешивающего его по производительности прикладного ПО «закона Гейтса» — к началу нынешнего века стало неоспоримым основанием придерживаться этого эмпирического правила как можно дольше. Даже такие серьёзные экономические потрясения, как крах доткомов или финансовый кризис 2008 года, прошли для глобальной полупроводниковой индустрии на стратегическом уровне незамеченными — 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 зачарованную черту или вовсе 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 из этих подходов — экстенсивный — хотя и сталкивается с немалым числом технологических препятствий, всё же базируется на более чем пятидесятилетнем опыте развития полупроводниковой фотолитографии. Именно поэтому относительные издержки на его реализацию заметно меньше, чем у второго направления (More than Moore) и, тем более, у третьего (Beyond Moore). Собственно, мы уже неоднократно отмечали это в материалах, посвящённых разным перспективным ветвям эволюции вычислительной техники: при всех неоспоримых (пусть и будущих) преимуществах кардинально новые технологии неизбежно потребуют колоссальных вложений — хотя бы для того, чтобы достичь уровня полупроводниковых производств тех времён, когда Гордон Мур впервые сформулировал свой «закон». А таких свободных финансовых ресурсов в текущих 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 отчетливо виден на примере самых передовых серийных техпроцессов — будь то «18A» и «14A» у Intel, или соответствующие им «2-нм» нормы у TSMC и Samsung. Теоретически рецепт прост: если размеры транзисторов больше нельзя уменьшать за счет геометрического сокращения площади, занимаемой их элементами (прежде всего затвором), нужно искать способы конструировать эти транзисторы иначе — не отходя при этом от ключевой КМОП-парадигмы, чтобы продолжать опираться на проверенные полупроводниковые технологии. Один из самых очевидных вариантов — переход от конструкции FinFET с «плавником» или «гребнем» к архитектуре RibbonFET (разновидность Gate-All-Around/GAA с кольцевым или «обнимающим» затвором). Многослойные плоские нанолистовые каналы таких транзисторов затвор охватывает со всех четырех сторон, предотвращая тем самым утечки тока из-за эффектов квантового туннелирования: если нет подзатворной области, где такие эффекты проявляются в плоских транзисторах, — 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 приводит (начиная с определенного уровня миниатюризации) к паразитным наводкам помех от питающих токов на эти контуры. Чтобы минимизировать такие наводки, приходится разносить транзисторы подальше 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 еще 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 т. п. Но все эти хитрости подхода More Moore по-прежнему будут опираться на прекрасно отлаженную инженерно-производственную базу, что сделает их коммерчески оправданными.
Процесс изготовления монолитных CFET в рамках технологического цикла (источник: IEEE)
⇡#За границами известного
Концепцию More than Moore допустимо трактовать как своего рода компромисс: она не стремится заменить традиционные полупроводниковые технологии, а скорее обогащает их за счёт функционального разнообразия интегральных схем — внедрения новых материалов и включения нецифровых элементов в логические цепи. Если говорить точнее, интеграция разнообразных датчиков или аналоговых схем в единую систему с КМОП-логикой не является конечной целью; ключевая задача, которую ставят перед собой сторонники этого подхода, — отказ от цельного универсального кристалла и его перестройка в составную структуру, собранную из разнородных чиплетов с быстродействующими межсоединениями — с использованием таких решений, как Intel Foveros или TSMC CoWoS. В рамках идеи «больше чем Мур» по сути происходит разборка исходной концепции сверхбольших интегральных схем: отдельные функциональные блоки — центральный и графический процессоры, тензорные и нейронные вычислительные системы — к настоящему моменту настолько усложнились сами по себе, что тратить колоссальные инженерные ресурсы на их объединение в физически единый кристалл не имеет смысла: итоговое изделие окажется чрезмерно крупным. Да, существует проверенный Cerebras Systems максималистский вариант — размещать на целой заготовке (диаметром 300 мм) лишь один монолитный кристалл, — однако и здесь не избежать множества ограничений, в первую очередь касающихся универсальности применения полученной таким образом «царь-микросхемы».
Подход на основе чиплетов, который в целом лежит в основе направления More than Moore, развивается в IT-индустрии уже более 40 лет, что служит дополнительным подтверждением его перспективности — технологический задел в этой области накоплен поистине значительный. Правда, до сих пор этот метод применялся локально, при выпуске ограниченного перечня сверхбольших интегральных схем (СБИС) относительно небольшими партиями, из-за чего себестоимость такой продукции оставалась очень высокой. А ведь, напомним вновь, вся суть возрождения «закона Мура» заключается именно в том, чтобы вернуть полупроводниковую индустрию на стабильный курс — не просто предсказуемого, а фактически планового регулярного обновления, с целью гарантировать всем, кто решится вложить в это огромные средства, возврат инвестиций в строго установленные на старте проекта сроки. Именно поэтому разработчики микросхем, уже активно делающие ставку на чиплеты — AMD, Intel, Marvell и многие другие, — всё более серьёзно задумываются о стандартизации межсоединений для чиплетов, что позволит привлечь к производству таких полупроводниковых изделий сторонних изготовителей чиплетов. Ведь далеко не каждый чиплет должен соответствовать ныне модным «2-нм» технологическим нормам, чтобы эффективно выполнять свою задачу. А значит, удастся переложить часть нагрузки по созданию чипов на «морально устаревшие», но вполне работоспособные и широкодоступные фабрики, тем самым увеличив объёмы выпуска готовой продукции и снизив её себестоимость.
Эволюция многокристальных (multi-die) технологий за последние десятилетия: от простых модулей с несколькими распаянными на них чипами к гетерогенной интеграции разнородных (полупроводниковых и на основе фотоники) схем (источник: Cadence)
