Павел Урусов 2015-04-14 00:00

Тема: 50 лет закону Мура

Немного предыстории

Почему же "закон Мура" был воспринят так серьёзно? Дело в том, что к тому моменту Гордон Мур успел стать одним из самых заметных имён в полупроводниковой индустрии.

Химик по образованию, Мур в 1954 году защитил диссертацию в знаменитом "Калтехе" (Калифорнийском институте технологий), а в 1956 году вошёл в число восьми молодых учёных, отобранных изобретателем транзистора и нобелевским лауреатом Уильямом Шокли для работы над новыми технологиями в области полупроводниковых приборов.

Уильям Шокли, изобретатель транзистора
и нобелевский лауреат

Увы, из этого начинания ничего не вышло. Шокли был хорошим учёным, но плохим менеджером, а его тяжёлый подозрительный характер вкупе с авторитарной манерой управления создали в команде невыносимую обстановку. В какой-то момент он даже попытался заставить всех сотрудников пройти тест на детекторе лжи, чтобы убедиться в том, что они его не обманывают. Последней каплей стал тот факт, что вместо обещанной работы над новыми видами полупроводников Шокли заставил сотрудников своей лаборатории заниматься усовершенствованием и подготовкой к серийному производству так называемых "диодов Шокли", на которые существовал потенциальный спрос со стороны оборонного ведомства США. В результате в 1957 году все восемь молодых учёных (получивших прозвище "вероломной восьмёрки") покинули лабораторию Шокли и стали сооснователями компании Fairchild Semiconductor, названной по имени основного инвестора Шермана Фэйрчалда.

Слева направо: Гордон Мур, Шелдон Робертс, Юджин Клейнер, Роберт Нойс,
Виктор Гринич, Джулиус Бланк, Жан Эрни, Джей Ласт

Впрочем, нельзя сказать, что всё было зря: во время работы у Шокли Гордон Мур и его коллеги получили практический опыт работы с важнейшими экспериментальными технологиями производства полупроводников - мокрым окислением по Фрошу и фотолитографией. Это позволило Fairchild Semiconductor быстро стать главной компанией только набирающей обороты полупроводниковой индустрии. В 1958 году на рынок вышел разработанный Муром 2N696 - первый массовый кремниевый транзистор, ставший популярным за счёт более высокой рабочей температуры и частоты переключения, чем у германиевых аналогов. В отличие от конкурентов, производивших транзисторы индивидуально, 2N696 производился целыми пластинами, которые разрезались на части непосредственно перед упаковкой. Это позволило заметно увеличить объёмы производства и снизить себестоимость, однако технология была достаточно рискованной, поскольку любая ошибка приводила к отбраковке целой партии. На практике хорошая отладка производственных процессов позволила Fairchild Semiconductor стать абсолютным лидером рынка транзисторов.

Разработанный Гордоном Муром транзистор 2N696

В 1959 году Жан Эрни при помощи Чи-Тан Са (оба также проходили стажировку у Шокли) разработал основы планарной технологии. Первый планарный транзистор пошёл в серию весной 1960 года под названием 2N1613. Он значительно превосходил 2N696 по скорости, имел на три порядка меньшие токи утечки, а планарная технология производства позволила эффективно уменьшить количество посторонних примесей, что в свою очередь привело к повышению надёжности. К слову, планарный процесс до сих пор остаётся наиболее широко применяемым способом производства транзисторов в мире и единственным способом производства интегральных микросхем. Это связано с тем, что он, в отличие от предшествовавшей ему меза-технологии, позволяет формировать не только транзисторы и диоды, но и другие элементы (в т. ч. резисторы и конденсаторы).

В 1959 году Мартин Аттала из Bell Labs предложил выращивать затворы полевых транзисторов из двуокиси кремния. Его работы не нашли коммерческого применения в Bell Labs, зато предложенная им МОП-технология (металл-окисел-полупроводник) получила развитие в стенах Fairchild Semiconductor. В 1963 году Чи-Тан Са и Фрэнк Вонласс изобрели технологию КМОП (комплементарная структура металл-окисел-полупроводник), которая позволила получать на одной подложке как n-канальные, так и p-канальные транзисторы. Сегодня примерно 99% всех логических микросхем, в том числе микропроцессоров, используют схемотехнику КМОП.

К сожалению, в начале шестидесятых в Fairchild Semiconductor начались внутрикорпоративные конфликты, которые привели к проблемам с управлением и потере ключевых сотрудников. К 1967 году компания утратила лидерство, уступив первое место на рынке своему самому заклятому сопернику - Texas Instruments.

В том же году Мур и его коллега по "вероломной восьмёрке" Роберт Нойс (известный как один из изобретателей интегральной микросхемы) приняли решение покинуть Fairchild Semiconductor и основать собственную компанию. Изначально её хотели назвать Moore Noyce, но потом от этой идеи отказались, поскольку по-английски это название на слух практически неотличимо от more noise ("больше шума"). В итоге компанию назвали сначала NM Electronics, а в 1968 году переименовали в Intel (сокращение от INTegrated ELectronics). Интересный факт: слово Intel на тот момент было зарегистрированной торговой маркой сети гостиниц Intelco, так что Муру и Нойсу пришлось выкупать права на использование данного названия.

Федерико Фаджин, разработчик первого в мире микропроцессора

Первой продукцией Intel были микросхемы памяти (как ОЗУ, так и ПЗУ), а также различного рода логические элементы (вроде логических инверторов). В 1970 году к Intel присоединился Федерико Фаджин, который ранее также работал в Fairchild Semiconductor и изобрёл самосовмещённую технологию производства чипов (при этом затвор используется не только как конструктивный элемент, но и как маска при получении сток-истоковых областей транзистора, что позволяет ускорить производство, улучшить характеристики микросхемы и понизить процент производственного брака). Под его руководством в 1971 был выпущен первый в мире микропроцессор, получивший название Intel 4004.

Intel 4004 — первый в мире микропроцессор

Intel 4004 стал первым процессором, все функции которого были интегрированы в одном чипе. Вместе с набором микросхем MCS-4, включавшим также ОЗУ, ПЗУ и сдвиговый регистр, он мог использоваться для создания универсальных микрокомпьютеров. Первым коммерческим применением Intel 4004 и MCS-4 стал программируемый калькулятор 141-PF японской компании Busicom (по заказу которой микропроцессор и разрабатывался).

По сегодняшним меркам Intel 4004 способен вызвать разве что улыбку. Он состоял из 2300 транзисторов и работал на максимальной тактовой частоте 740 кГц. Из-за необходимости "уложиться" в минимально возможное количество ножек процессора (16), одна и та же 4-битная шина использовалась для обмена 12-битными адресами и 4-битными словами данных. Хотя Intel 4004 считается 4-битным микропроцессором, его набор команд состоял из 8- и 16-битных инструкций.

Процессор Intel 8080 стал основой первых
успешных микрокомпьютеров

В 1970 году Intel заключила с компанией CTC контракт на разработку процессора для терминального клиента Datapoint 2200. Однако к тому моменту, когда разработка была завершена, CTC успела пересмотреть свои планы, так что процессор (известный под кодовым названием "проект 1201") уже не отвечал их требованиям к производительности. Вместо оплаты контракта CTC приняла решение передать Intel все права на новый микропроцессор, который вышел на рынок в 1972 году под названием Intel 8008. В отличие от i4004, i8008 имел ширину шины данных 8 бит, что потребовало увеличения количества ножек с 16 до 18. Однако одна шина по-прежнему использовалась для обмена как данными, так и адресами, что заметно ограничивало производительность процессора. Эта проблема была решена только в процессоре Intel 8080, который вышел на рынок в 1974 году и сразу же стал хитом. В частности, именно на его основе был построен первый коммерчески успешный микрокомпьютер MITS Altair 8800, а разработанная для Altair операционная система CP/M была в 1970-е годы таким же индустриальным стандартом, каким в 1980-е стала MS-DOS. Intel 8080 считается прямым предшественником процессора 8086, положившего начало знаменитому семейству x86.

В 1975 году, уже получив опыт работы с микропроцессорами (которые имели меньшую плотность компонентов, чем микросхемы памяти), Гордон Мур изменил формулировку своего закона. Во время ежегодной встречи IEEE (Института инженеров электротехники и электроники) он предположил, что количество транзисторов в интегральных микросхемах будет удваиваться не каждый год, как считалось ранее, а каждые 24 месяца. В качестве основных факторов, позволяющих добиться подобных темпов роста, Мур указал увеличение площади кристаллов, постепенный переход к более тонким технологическим процессам и более эффективный подход к разработке интегральных микросхем. Именно после этой встречи и возник термин "закон Мура", придуманный и популяризованный профессором Калифорнийского института технологий Карвером Мидом. На основе закона Мура другой сотрудник Intel, Дэвид Хаус, предположил, что производительность интегральных схем будет удваиваться каждые 18 месяцев - как за счёт увеличения количества элементов, так и за счёт повышения их (элементов) быстродействия.

Хотя изначально закон Мура был всего лишь констатацией уже известных фактов и прогнозом на будущее, по мере роста его известности он всё чаще стал использоваться как инструмент планирования. В результате компании-производители полупроводников начали тратить маркетинговые и инженерные ресурсы на поддержание заданных законом Мура темпов прогресса, что превратило его в самоисполняющееся пророчество.

Согласно широко распространённому мнению, закон Мура применим не только к полупроводниковой индустрии, но и к технологиям в целом, а также к экономике. Основной движущей силой экономического роста является производительность труда, которая в наше время напрямую зависит от технологий. В 1995 году Мур предположил, что "скорость технического прогресса будет ограничена экономическими реалиями". На деле произошло ровно обратное: развитие полупроводников привело к глобальному росту производительности труда и улучшению экономических условий, а доступность компьютерных технологий - к качественным прорывам в различных областях человеческой деятельности, от энергетики до авиационно-космической отрасли.

Что дальше?

В 2005 году сам Гордон Мур в интервью журналу Techworld указал, что рано или поздно его закон перестанет действовать, поскольку транзисторы со временем достигнут размеров отдельных атомов:

"В плане размера транзисторов мы приближаемся к размерам отдельных атомов, что является фундаментальным барьером. Но мы не достигнем этого барьера на протяжении ещё двух-трёх поколений. У нас есть ещё 10 или 20 лет до момента, когда мы достигнем ограничений по размеру транзистора. Но к тому моменту мы научимся делать микросхемы большей площади, содержащие миллиарды транзисторов".

В 2003 году компания Intel предсказывала, что существующие технологии достигнут своего предела между 2013 и 2018 годами с переходом на 16-нанометровый техпроцесс. При этом размеры затвора индивидуальных процессоров достигнут 5 нм, а в таких масштабах уже начинают сказываться ограничения, накладываемые туннельным эффектом. Однако по состоянию на сегодня компания успешно освоила 14-нанометровый техпроцесс, по которому выпускаются новые процессоры Broadwell. В 2008 году Пэт Гелсингер, старший вице-президент и бывший главный технолог Intel, отметил, что на протяжении последних 30 лет постоянно звучат прогнозы, что закон Мура будет справедлив в течение ещё 10 лет. Некоторые учёные (например, физики Лоренс Краусс и Гленн Старкман) утверждают, что в конечном итоге закон Мура будет справедлив до тех пор, пока мы не достигнем предела Бекенштейна, ограничивающего максимальную плотность информации. К слову, для достижения этого предела плотность интегральных схем необходимо повысить в 10 ²⁷ раз, так что в этом случае закон Мура может соблюдаться ещё более 200 лет.

Оглядываясь назад, можно увидеть, что на протяжении 50 лет своего существования закон Мура часто сталкивался с трудностями, которые казались непреодолимыми - и которые, каждая в свой черёд, успешно преодолевались. Как сказал в 2007 году сам Гордон Мур, "в каком-то смысле мой закон является противоположностью законов Мёрфи: всё становится только лучше и лучше".