Industri semikonduktor berada di persimpangan jalan. Walaupun ketumpatan transistor terus berganda setiap dua tahun seperti yang diramalkan oleh Hukum Moore , asas ekonomi yang menyokong kemajuan ini sedang runtuh. Apa yang bermula sebagai pemerhatian tentang kemajuan teknologi telah berkembang menjadi perbincangan tentang kelangsungan hidup dalam industri di mana hanya pemain terkaya sahaja yang mampu bersaing.
Perdebatan komuniti mendedahkan kebimbangan mendalam tentang sama ada pendekatan semasa terhadap pembuatan cip mewakili laluan yang paling cekap ke hadapan. Sesetengah pakar mempersoalkan sama ada tumpuan industri untuk menolak had fizikal telah membayangi penyelesaian yang lebih praktikal yang boleh memberikan prestasi setanding pada kos yang lebih rendah.
Kos Pembuatan Menghapuskan Persaingan
Ekonomi pembuatan cip telah menjadi kejam. Tiga puluh lima tahun yang lalu, kira-kira 40 syarikat mampu membina kemudahan fabrikasi semikonduktor pada kos antara 1-4 bilion dolar Amerika. Hari ini, hanya dua atau tiga syarikat sahaja yang masih mampu membina fab yang kini menelan kos lebih daripada 18 bilion dolar Amerika setiap satu. Trend ini menunjukkan masa depan di mana sebuah kilang tunggal boleh menelan kos hampir setengah trilion dolar, berpotensi mengurangkan bilangan pengeluar yang berdaya maju kepada kurang daripada satu.
Penyatuan ini melangkaui kos pembinaan sahaja. Topeng foto, yang berfungsi sebagai templat untuk pengeluaran cip, telah melonjak daripada ratusan ribu dolar kepada sekitar 50 juta dolar Amerika pada nod termaju. Untuk pengeluaran berskala kecil, kos topeng ini sahaja boleh menambah berjuta-juta kepada harga setiap cip, dengan berkesan menyingkirkan pemain yang lebih kecil daripada pembuatan termaju.
Evolusi Kos Pembuatan
- 35 tahun yang lalu: ~40 syarikat, $1-4 bilion USD setiap fab
- Hari ini: 2-3 syarikat, $18+ bilion USD setiap fab
- Unjuran masa depan: <1 syarikat, ~$500 bilion USD setiap fab
Had Fizikal Mencabar Penskalaan Tradisional
Cabaran teknikal yang dihadapi oleh Hukum Moore adalah sama menakutkan. Transistor 12 nanometer semasa sebenarnya tidak mengukur 12 nanometer dalam mana-mana dimensi yang bermakna - nombor-nombor ini telah menjadi istilah pemasaran dan bukannya ukuran fizikal. Jejak sebenar transistor moden adalah lebih hampir kepada 65 nanometer pada setiap sisi, dikekang oleh had geometri dalam pembungkusan litar.
Litografi Ultraviolet Ekstrem ( EUV ), penyelesaian semasa industri untuk mencipta ciri yang lebih kecil, menggunakan cahaya gelombang 13.5-nanometer yang secara teknikal layak sebagai sinar-X lembut. Ini memerlukan cermin melengkung yang tepat secara atom dan menghapuskan kemungkinan menggunakan kanta tradisional, menjadikan proses pembuatan sangat kompleks dan mahal.
Kimia fotoresist memberikan halangan lain. Bahan sensitif cahaya ini yang membolehkan corak cip hanya berfungsi apabila membentuk kelompok yang cukup besar untuk stabil. Kebanyakan fotoresist konvensional berhenti berfungsi di bawah 7-10 nanometer, dengan alternatif eksperimen pun gagal di bawah 5 nanometer.
Dimensi Fizikal Transistor
- Saiz yang dipasarkan: "12 nanometer"
- Jejak sebenar: ~65nm × 65nm (4000-5000 nanometer persegi)
- Jarak get: 56-90nm jarak minimum antara transistor
Pendekatan Alternatif Mendapat Perhatian
Perbincangan komuniti menyerlahkan minat yang semakin meningkat terhadap pendekatan pembuatan alternatif yang mengutamakan pengurangan kos berbanding prestasi mutlak. Ada yang mencadangkan bahawa cip pemprosesan selari tinggi yang direka untuk bertolak ansur dengan kadar kecacatan yang lebih tinggi boleh dihasilkan dalam kemudahan yang jauh lebih murah. Pendekatan ini akan menukar sedikit ketepatan untuk penjimatan kos yang dramatik, berpotensi membuka pasaran dan aplikasi baharu.
Konsep pasaran kereta terpakai untuk pengkomputeran juga mendapat daya tarikan dalam perbualan komuniti. Jika peningkatan prestasi perlahan dengan ketara, pengguna mungkin beralih ke arah membeli sistem mewah yang direka untuk bertahan lebih lama, sama seperti bagaimana kereta mewah akhirnya menjadi mampu milik melalui susut nilai.
Alternatif tidak perlu sepadan dengan semua keupayaan teknologi semasa. Ia 'hanya' perlu berdaya saing dalam satu niche, seperti The Innovator's Dilemma.
Genangan Kelajuan Jam Mendedahkan Isu Yang Lebih Mendalam
Walaupun bilangan transistor terus berkembang, kelajuan jam sebahagian besarnya telah genang sejak 2006. AMD melancarkan pemproses 1 GHz pertama pada tahun 2000, dengan Intel meramalkan pemproses 10 GHz menjelang 2011. Pemproses desktop hari ini biasanya maksimum sekitar 4 GHz, mendedahkan bahawa penskalaan transistor mentah tidak lagi diterjemahkan secara langsung kepada peningkatan prestasi.
Genangan ini berpunca daripada kerosakan Penskalaan Dennard , yang meramalkan bahawa ketumpatan kuasa akan kekal malar apabila transistor mengecil. Arus bocor dan faktor lain yang boleh diabaikan pada skala yang lebih besar kini menguasai penggunaan kuasa, memaksa pengeluar untuk melumpuhkan bahagian besar cip untuk menguruskan keperluan haba dan kuasa.
Garis Masa Genangan Kelajuan Jam
- 2000: Pemproses 1 GHz pertama ( AMD )
- 2011: Intel meramalkan pemproses 10 GHz
- 2023: Pemproses desktop maksimum ~4 GHz kelajuan rangsangan
- Punca: Kerosakan Penskalaan Dennard sekitar 2006
Industri Mencari Penyelesaian Berperingkat
Pelaburan Intel dalam penghantaran kuasa bahagian belakang mewakili jenis pengoptimuman yang kini memacu kemajuan. Teknologi ini memindahkan pendawaian kuasa ke bahagian belakang cip, memerlukan berjuta-juta sambungan kecil melalui substrat silikon. Walaupun bermakna, penambahbaikan sedemikian menawarkan keuntungan sekali sahaja dan bukannya penskalaan berulang yang mentakrifkan dekad sebelumnya.
Peralihan ke arah chiplet dan susun die mencerminkan pemikiran yang serupa - mengekstrak nilai melalui perubahan seni bina dan bukannya penskalaan tulen. Pendekatan ini boleh meningkatkan prestasi dan mengurangkan kos, tetapi ia mewakili strategi yang berbeza secara asas daripada peminiaturan tanpa henti yang menggerakkan Hukum Moore .
Industri semikonduktor menghadapi cabaran yang tidak pernah berlaku sebelum ini. Halangan ekonomi dan fizikal yang bertumpu serentak menunjukkan bahawa meneruskan pendekatan semasa mungkin tidak mampan. Sama ada melalui teknik pembuatan baharu yang radikal, seni bina pengkomputeran alternatif, atau model perniagaan yang berbeza sama sekali, laluan ke hadapan berkemungkinan memerlukan penyimpangan daripada enam dekad amalan yang telah ditetapkan. Persoalannya bukan sama ada Hukum Moore akan berakhir, tetapi apa yang akan menggantikannya.
Rujukan: The Unsustainability of Moore's Law