Mroczny krzem coraz poważniejszym problemem

| Technologia
Intel

Przemysł półprzewodnikowy stoi przed coraz poważniejszymi wyzwaniami. Wielu z nas słyszało o tym, że kończy się era krzemu i nie mamy czym tego materiału zastąpić. Niewielu jednak wie, że już teraz odczuwamy negatywne skutki ciągłej miniaturyzacji, a ujawniają się one m.in. w postaci tzw. mrocznego krzemu (dark silicon).

Termin ten odnosi się do tych części podzespołów elektronicznych, które trzeba wyłączyć, by całość nie uległa przegrzaniu. Podczas ubiegłorocznego IEDM (International Electron Devices Meeting) – najważniejszej światowej konferencji, na której prezentuje się najnowsze osiągnięcia mikro- i nanoelektroniki – wystąpił główny inżynier firmy ARM, Greg Yeric, który ostrzegał, że przy procesie produkcyjnym 20 nanometrów mroczny krzem może stanowić około 30% całkowitej powierzchni plastra krzemowego, a przy 5 nm jego udział może wzrosnąć aż do 80%. Ma to związek z obserwowanym od kilku lat załamaniem się prawa skalowania Dennarda. Prawo to, przedstawione w 1974 roku, mówi, że wraz ze zmniejszaniem rozmiarów tranzystora uzyskamy proporcjonalne zwiększenie jego szybkości i zmniejszenie zużycia energii. Niestety, w latach 2005-2007 zaobserwowano, że prawo to przestaje działać. Spadek zużycia energii nie idzie w parze ze skalą miniaturyzacji. To z kolei wiąże się zarówno z ryzykiem przegrzania jak i coraz większymi upływami w układach scalonych.

Sytuacja wygląda jeszcze gorzej, jeśli weźmiemy pod uwagę koszty produkcji pojedynczego tranzystora. Do niedawna koszt ten systematycznie spadał. Przy technologii 90 nm wynosił 6,4 centa na milion wyprodukowanych bramek, przy technologii 40 nm spadł do 3,6 centa, a przy 28 nm obniżył się do 2,7 centa. Jednak dalsza miniaturyzacja oznacza wzrost kosztów. I tak przy 20 nm wyprodukowanie miliona bramek kosztuje 2,8 centa, a przy 16 lub 14 nanometrach wzrośnie do 2,9 centa. Niby niewiele, jednak specjaliści obawiają się, że może to oznaczać stały trend wzrostowy. Jeśli tak, to przy obecnie używanej technologii najbardziej ekonomicznym procesem produkcyjnym jest proces 28 nm.

Gwałtownie rosną też koszty projektowe. Pomiędzy technologią 65 a 28 nanometrów zwiększyły się one mniej więcej dwukrotnie. Przewidywania na przyszłość są jeszcze gorsze, gdyż zgodnie z nimi pomiędzy 28 a 16 nm koszty projektowe mogą wzrosnąć ponad trzykrotnie i przekroczyć 300 milionów dolarów. Dlatego też prezes Broadcomu stwierdził w swoim czasie, że przemysł półprzewodnikowy czekają wielkie zmiany.

Na szczęście eksperci przedstawiają też propozycje opartych na krzemie technologii, które pozwalają optymistycznie spojrzeć w przyszłość. Proponują m.in. rozwijanie technik SOI (silicon-on-insulator) i monolitycznych technologii 3D. Dotychczas, ze względu na ogromne koszty, na pracę z technologiami 3D mogli pozwolić sobie tylko najwięksi. Niedawno jednak poinformowano, że najnowsza generacja precyzyjnych zgrzewarek produkowanych m.in. przez EVG czy Nikona pozwala na uniknięcie kosztownej przebudowy linii produkcyjnych, dzięki czemu monolityczne technologie 3D mogą zostać zaadaptowane w każdej współczesnej fabryce procesorów.

Autor:

Źródło: EE Times

mroczny krzem skalowanie 3D koszt układ scalony upływ