Počítačové čipy a hranice pokroku: kam spěje polovodičový průmysl?

Dobrá zpráva je ta, že výrobci čipů ještě stále nebuší na zavřená vrata a mají ve zmenšování tranzistorů a čipů kam postupovat, a to právě díky novým technologiím a především pak EUVL a tranzistorům GAAFET. Technologie pokročilého pouzdření nastupují spíše jako reakce na to, že čipy vyráběné těmi nejlepšími procesy už mohou být celkově příliš drahé, a tak se vyplatí uvažovat ekonomicky, čili vyrábět spíše menší čipy a až ty spojovat do funkčního celku, který také může a bude využívat celý mix výrobních procesů. A jde také o předem chystanou reakci na to, že vývoj procesů se může v dohledné době zadrhnout. 

 

 

Právě mix EUVL, GAAAFET a technologií pouzdření lze dnes považovat za motor pokroku, který nás provede zbytkem technologického spektra až ke 2 nm, jenomže co dál? Pokud jde o zvyšování počtu tranzistorů, napadnout nás může prosté řešení: "hnát to do štoku", čili tvořit pravé 3D čipy, kde sice bude na stejné ploše mnohem více tranzistorů, ale to jednak přinese nové problémy s chlazením a pak to stejně nepřinese žádný pokrok s ohledem na počet tranzistorů vyrobených na jednom waferu, leda by snad už šlo o vrstvené čipy tvořené v rámci původního litografického procesu. To samozřejmě nezmiňujeme jen tak z čiré fantazie, neboť výzkum směřuje i tímto směrem, a to s využitím tranzistorů GAAFET, jež jsou ostatně už samy o sobě v podstatě 3D strukturami. 

 

Skutečně ale křemíkové technologie zamrznou na 2 nm? Je nad slunce jasné, že se pilně pracuje na tom, aby se v nich postoupilo ještě dále a právě TSMC nedávno ve spolupráci s MIT a NTU (National University of Taiwan) ohlásilo průlom, který má zajistit možnost vyvinutí 1nm technologie, kterou jsme již zmiňovali, neboť i na ní už má TSMC pracovat ve své Fab 12. Ve spolupráci s uvedenými univerzitami šlo především o to, aby byly vyvinuty takové materiály, které nebudou trpět příliš vysokým kontaktním odporem a nízkou proudovou hustotou. Zkrátka jde o takové materiály, které musí mít ve svých titěrných obvodech požadované vlastnosti a v tomto případě se přišlo konkrétně na velice zajímavé vlastnosti bizmutu, který aplikován na elektrodách dokáže zajistit nízký odpor a vysokou proudovou hustotu. 

 

Tyto požadavky ale i přes průlom v případě cca 1nm technologií budou stále aktuální a fyzické limity neodstraní. Už na 1 nm se budou výrobci pohybovat na úrovni pouhých jednotek atomů a není vůbec jisté, že se takový proces dočká nasazení v praxi. 

Poté už se ale s velkou pravděpodobností bude třeba s křemíkem rozloučit a využít nové materiály, jako jsou například uhlíkové nanotrubičky, germanium, gallium-indium, sulfid molybdeničitý, atd. To může ovšem pochopitelně opět jen posunout pomyslnou zeď, za níž už můžeme vidět exotický svět kvantové fyziky, čímž nemáme ovšem na mysli qubity a kvantové počítače. Může jít o polovodičové kvantové tečky s funkcí tranzistorů či snad něco zcela jiného. 

 

Nikde ale není zaručeno, že takový pokrok opravdu přijde, přičemž budoucnost se nemusí skrývat jen ve snaze neustále vylepšovat PPAY (Power, Performance, Area, Yield), čili spotřebu, výkon, velikost a výtěžnost (cenu) čipů. Může přijít opravdová nouze, která výrobce donutí od základu změnit dnes běžně používané architektury jako x86 či dokonce ARM, daleko lépe je optimalizovat s ohledem na přesuny dat, atp. Kdo ví, kde za pár let bude architektura RISC-V nebo projekt Ascenium, který se chce zcela zbavit instrukčních sad ve prospěch "softwarově definovaného procesoru". 

 

 

Jednoduše řečeno, postupné zmenšování tranzistorů je pouze jeden z aspektů pokroku, který se celkově nezastaví. Dokud to ovšem půjde, tranzistory se zmenšovat budou, což bude čím dál obtížnější a asi i pomalejší. Ale pokud se pokrok v rámci PPAY začne zadrhávat, bude tu stále možný rozvoj 3D struktur či vrstvení čipů, jejich kombinování do funkčního celku, nové architektury i úsporné technologie nebo jiné způsoby pro zvyšování celkového výkonu a efektivity.

 

Termínu Mooreův zákon se tak během příštích let asi nezbavíme, ať mu bude pokrok v případě násobení počtu tranzistorů odpovídat, nebo ne. Bude ale bohatě stačit si jej mírně ohnout a aplikovat na vícečipová řešení a stále se utvrzovat v jeho platnosti. Co bude dál, to se teprve ukáže.