Насколько малы транзисторы на чипе?

В самых продвинутых чипах транзисторы размером с вирусы, то есть около 50-100 нанометров (нанометр — это одна миллионная миллиметра). В этой статье мы увидим, как изменился размер транзисторов с момента изобретения интегральной схемы (ИС) в 1959 году до наших дней.

Закон Мура, самосбывающееся пророчество

В 1965 году основатель Intel Гордон Мур опубликовал известную статью, которая с годами стала пророчеством: количество транзисторов, встроенных в чип, удваивается каждые два года. Эта статья — настоящая жемчужина в истории электроники и, вероятно, одна из самых влиятельных в последующем развитии этой отрасли науки и техники. На изображении ниже изображен Мур в его знаменитой статье.

У этого роста в математике есть имя: закон экспонент. С тех пор увеличение количества транзисторов в ИС или чипе (это два распространенных способа их названия) следует этой тенденции, известной в мире электроники как закон Мура.

Это предсказание стало «самосбывающимся пророчеством» для микроэлектронной промышленности, и производители настаивают на его исполнении год за годом. Конечно, речь идет не только об исполнении прогнозов, но и о поиске (и обнаружении) преимуществ тенденций, которые имеют почти «священную миссию» для отрасли. Когда вы прочитаете статью Мура, вы будете поражены тем, что сделанные им в ней предсказания не только сбываются, но и сбываются год за годом на протяжении полувека. В любом другом промышленном секторе нелегко найти предсказуемую «погоню», подобную этой.

В результате в последующие годы с момента их появления в конце 1950-х годов ИС пережили беспрецедентный рост, первоначально обусловленный космической программой США и военной промышленностью. Производится все больше и больше транзисторов. Если первая ИС включала в себя десятки транзисторов, то через несколько лет на рынке появились тысячи ИС, а сегодня существуют миллиарды транзисторных ИС.

Количество транзисторов в ИС может значительно увеличиться из-за огромной эволюции процесса ее производства. Микроэлектроника использует процесс, отчасти напоминающий массовое производство автомобилей, так что большое количество идентичных полных схем может быть воспроизведено одновременно на одной кремниевой полупроводниковой пластине. Процесс по существу включает в себя печать нескольких геометрических узоров на поверхности кремния, что позволяет определить каждое устройство, из которого оно состоит, а затем выборочное нанесение различных изолирующих и проводящих материалов для правильного соединения различных компонентов. Все это возможно благодаря технологии, которая является узким местом в производстве ИС: литографии.

Что на самом деле означает закон Мура?

Чтобы лучше понять значение закона Мура, представьте, что читатель возвращается в прошлое. К 1971 году будьте готовы слушать оперу в зале на 2300 мест с точно таким же количеством транзисторов, как у 4004, первого микропроцессора, созданного Intel в том году. Если бы вместимость зала соответствовала закону Мура, но не меняла площади, которую он занимал и восстановил в 1982 году, в одном и том же месте собралось бы 134 000 человек — вместимость большого футбольного поля и мощность процессора Intel 286. Спустя годы, в 2000 году, зал мог вместить все население Токио — 37 миллионов человек, столько же транзисторов в последней версии процессора Intel Pentium III — если бы прослушивание проводилось в 2011 году, оно бы столкнулась с 1,3 миллиарда человек — все население Китая или количество транзисторов в одной из версий процессора Intel Core i7 — аудитория в 7,4 миллиарда человек или все население планеты, если они придут в 2019 году — и построили в IBM z13 Количество транзисторов в контроллере памяти. Наконец, если бы это прослушивание состоялось в 2021 году, его вместимость была бы эквивалентна двум земным шарам, поскольку оно должно было бы собрать 15 миллиардов человек, число транзисторов процессора Bionic A 15 (с новым iPhone 13). Как показано ниже. Население всей планеты — и количество транзисторов, встроенных в контроллер памяти IBM z13. Наконец, если бы это прослушивание состоялось в 2021 году, его вместимость была бы эквивалентна двум земным шарам, поскольку оно должно было бы собрать 15 миллиардов человек, число транзисторов процессора Bionic A 15 (с новым iPhone 13). Как показано ниже. Население всей планеты — и количество транзисторов, встроенных в контроллер памяти IBM z13. Наконец, если бы это прослушивание состоялось в 2021 году, его вместимость была бы эквивалентна двум земным шарам, поскольку оно должно было бы собрать 15 миллиардов человек, число транзисторов процессора Bionic A 15 (с новым iPhone 13).

Строго говоря, площадь чипа тоже немного увеличилась за эти годы, но в гораздо меньшей пропорции. Например, Intel 4004 занимает 12 мм² (3 мм x 4 мм), а Bionic A 15 имеет площадь поверхности 107,7 мм² (8,58 мм x 12,55 мм), поэтому коэффициент транзисторов умножается на 6870 000, а площадь равна 9. .

Нужно делать транзисторы все меньше и меньше

Интеграция все большего количества транзисторов в чип означает уменьшение его размера, что дает преимущества за счет увеличения сложности производственного процесса. Чем меньше транзистор, тем меньше сам чип и тем больше чипов может поместиться на пластине. При этом стоимость обработки пластин остается примерно одинаковой вне зависимости от того, сколько чипов можно получить с каждой пластины. Это означает, что уменьшение размера транзисторов приведет к удешевлению микросхем. Как вариант, чип может остаться того же размера, чтобы внутри было больше компонентов. Это делает его более мощным, но не дорогим. Самое главное, уменьшение размера транзистора может улучшить его характеристики без увеличения энергопотребления. Тем не менее, у производителей чипов есть сильный стимул к уменьшению размера транзисторов. Это именно то, чем они занимались последние несколько десятилетий, когда количество транзисторов на чипе увеличилось с тысяч до миллиардов. Это очень маленький размер для транзистора. На схеме ниже показан один такой транзистор.

Чтобы понять, что означает этот небольшой размер, представьте, что мы увеличиваем размер микросхемы, объединяющей транзисторы, до тех пор, пока она не станет похожей на площадь, занимаемую сообществом Мадрида (8000 квадратных километров). В этом масштабе каждый транзистор будет занимать или площадь. 5 квадратных метров, что эквивалентно площади экрана телевизора диаметром 40 дюймов.

В заключение

Профессор Университета Пердью Марк Лундстрем, который начал работать в индустрии микросхем в 1970-х годах, написал статью для журнала Science в 2003 году, в которой предсказал, что закон Мура достигнет своего физического предела в 2015 году. Лундстрем сказал, что много раз в своей карьере он думал: «Ну, все кончено». По его словам, «был парень по имени Гордон Мур, который выступил с докладом. Он был известен в мире технологий, но никто не знал, кто он такой, и я помню его выступление». на чипе. Что можно сделать с 10 000 транзисторов на чипе? "

Сегодня на рынке 15 миллиардов транзисторов. Что могут сделать с ними ваши дизайнеры и производители?