¿Qué sucede cuando no podemos instalar más transistores en los circuitos?

En 1978, asistí a la fiesta del décimo aniversario de Intel en el Cow Palace. Mi esposa y yo nos encontramos conversando con Gordon y Betty Moore. Le pregunté al Dr. Moore (¡una de las personas más agradables que he conocido!) Si preveía un momento en el que nos toparíamos con límites físicos y no podríamos continuar aumentando la densidad del circuito. Me dijo: “Barry, la gente ya me ha estado haciendo esa pregunta por un tiempo. Pero cada vez que pensamos que estamos llegando a un límite, aparece un ingenioso joven tramposo y descubre una forma de evitarlo. Ya que no veo que nos quedemos sin agitadores jóvenes inteligentes en el corto plazo, creo que pasará mucho tiempo antes de que golpeemos la pared ”.

Casi 30 años después, estaba viendo un video sobre la introducción de Intel de su proceso “Hi-K”. El jefe del equipo dijo que se dieron cuenta de que estaban llegando a límites fundamentales en la reducción de la puerta de polisilicio, que ahora tenía solo 5 átomos de espesor, y la fuga era demasiado alta. Lo reemplazaron con dióxido de hafnio (con una constante dieléctrica mucho más alta (ese es el hi-k), y esa tecnología continúa extendiendo la Ley de Moore hasta nuestros días.

Y pensé para mí mismo … “¡Ingeniosos y jóvenes whippersnappers!”

¡Mis mejores deseos para Gordon y Betty por muchos años más de buena salud y felicidad!

Sí, ya hemos llegado al estado en el que no podemos instalar más transistores.

Ahora los transistores están hechos con tecnologías de 14 nm y 7 nm, que de hecho tienen pocos átomos de longitud. Esta fue una gran barrera en las industrias de semiconductores e informática que no podemos reducir aún más el tamaño de los transistores y que podría haber provocado la falla en la fabricación de computadoras más rápidas. Y se suponía que la ley de Moore debía terminar.

Otra barrera que surgió fue que el calor generado con transistores más pequeños crecía enormemente y se movía a un área donde era imposible enfriarse.

Como solución, los ingenieros dejaron de reducir los transistores. Pero para aumentar la potencia de la informática, comenzaron a usar más de un motor de procesadores. Estos motores fueron denominados núcleos.

Hoy en día las computadoras vienen con varios núcleos como 2,4,8 o 16 núcleos. Por lo tanto, cada núcleo duplicado duplica la potencia informática y, por lo tanto, cumple la ley de Moore.

Estrictamente, el final de la Ley de Moore no significa que la microelectrónica simplemente deje de existir, sino que se detiene la tasa de cambio exponencial. La necesidad de microelectrónica sigue siendo fuerte, pero es la extrema ventaja económica que proporciona lo que cambia su naturaleza. Y estrictamente solo para CMOS para los que se detendrá el escalado (aunque CMOS es fácilmente del 80% al 90% de los semiconductores en volumen e ingresos).

Hay otras direcciones que aún se pueden tomar. Éstos incluyen:

• Direcciones ya establecidas para la escala de la Ley de Moore (la siguiente incluye el uso de semiconductores III-V como canales MOS, apilamiento 3D de chips usando TSV e intercaladores, SOI completamente agotado, etc.)
• Direcciones hacia dispositivos nanoelectrónicos que son puramente mecánicos cuánticos (transistores de un solo electrón, nanotubos, nanocables, etc.)
• No se tomaron instrucciones porque la Ley de Moore fue (tan / demasiado) exitosa
• No se tomaron instrucciones porque el software era demasiado descuidado o seguía siendo un obstáculo; esto incluye múltiples subprocesos y núcleos
• Instrucciones que implican la recombinación de tecnologías existentes (esto es lo que ya hacen los SoCs y todavía hay mucho más espacio combinatorio sin explorar)
• Instrucciones relacionadas con nuevas necesidades: la más obvia es la gestión y conversión de energía verde / alternativa
• Direcciones que están a la última y / o aún no se han imaginado que no están en la línea familiar CMOS o en un futuro imaginado

El mayor problema con el final de la Ley de Moore no son las opciones tecnológicas, sino la previsibilidad socio-financiera-económica del desempeño futuro que se va por la ventana. Esta característica sorprendente de extrema previsibilidad y escalamiento extremo de la tecnología significaba que las inversiones de capital eran inusualmente predecibles tanto en costo como en beneficio. Ese es el verdadero “motor de la Ley de Moore”: el ciclo de retroalimentación a través de las comunidades técnicas y financieras.

Comenzaré con la última parte de su pregunta: “¿La potencia de procesamiento de las computadoras y los dispositivos electrónicos permanecerá estancada?”

La respuesta es No. El poder de procesamiento continuará mejorando y creciendo.

A ver cómo. Moor’s Law se basa en la tecnología CMOS de Si, con constantes de movilidad de electrones y huecos en Si (en tecnologías avanzadas en Si colado).

También se basa en una sola capa de transistores en el dispositivo con frente (superficie de Si). Podemos duplicar o triplicar la densidad apilando múltiples capas una encima de otra. En el negocio de la memoria, así es como se ha hecho durante los últimos 12-16 meses.

Entonces, tenemos un par de formas de mejorar nuestro rendimiento significativamente sin aumentar la densidad del transistor:

1. Pase a materiales III / V , que tienen una mayor movilidad de electrones y agujeros.
2. Mover a CMOS no FET : TFET, por ejemplo.
3. Mover a dispositivos cuánticos (qbit).

Existen tecnologías adicionales, llamadas “Más allá de la Ley de Moore”, que se enfrentan a este desafío. Puede consultarlo en imec o aquí 1.1 La ley de Moore: un camino hacia adelante

Hay muchas tecnologías hoy que están empujando los límites de lo que es posible hacer. En cuanto a la cantidad de transistores, existen tecnologías emergentes que están diseñando CPU 3D, donde puede obtener múltiples capas de transistores que le permitirán duplicar, triplicar o más la cantidad de transistores por área.

Siempre existe el desafío de hacerlos más pequeños también.

Los chips se hacen más grandes.

Volvemos, revisamos nuestro diseño y descubrimos cómo hacer más con menos (= menos transistores). He estado allí, hecho eso!