پایان عمر قانون مقیاس‌ گذاری مور تا سال ۲۰۲۱ با آمدن مدارهای مجتمع 3D

در طول چند سال گذشته، وقایع مربوط به تغییر و تحول قانون مور (Moore’s Law) را پوشش داده‌ایم. اساسا این قانون به عنوان روشی برای مقیاس‌گذاری پیشرفت ترانزیستورها ابداع شد. قانون مور برای پوشش تحولات بلندمدت در کارایی مواد نیم‌رسانا (موادی که برای ساخت مدارهای مجتمع استفاده می‌شود) و ویژگی‌های مدارهای مجتمع تراشه‌های جدید، مورد بازبینی و توسعه قرار گرفته است. اکنون «نقشه‌راه بین‌المللی تکنولوژی برای نیم‌رساناها» (ITRS) آپدیت جدیدی از آینده فناوری نیم‌رساناها منتشر کرده است که نشان می‌دهد مقیاس‌گذاری تراکم ترانزیستورهای دوبعدی مرسوم، تا سال ۲۰۲۱ با جایگزینی نوع جدیدی از مدارهای مجتمع و روش مقیاس‌گذاری به کار خود خاتمه می‌دهد.

تمرکز بخش اعظم گزارش اجرایی اخیر ITRS روی نحوه تغییر مفهوم قانون مور در گذر سال‌ها بود. این موضوع در سال ۲۰۱۵ -یعنی زمانی که نیاز به قانون مور 3.0 احساس شد- مورد بحث قرار گرفت. این نیاز به دلیل انتقال تمرکز صنعت نیم‌رسانا از کوچک‌سازی تراشه به سمت مدل دستگاه محور (device-centric) یا SoC‌) system on a chip) شکل گرفت که روی تجمع قابلیت‌ها و کاهش مصرف انرژی تأکید داشت. گوشی تلفن همراه مدرن، یک نمونه از این مدار مجتمع نسل سوم است که صفحه نماش HD، شبکه سلولی و بی‌سیم پرسرعت، رابط کاربر لمسی، دوربین‌هایی با کیفیت بالا با قابلیت عکاسی و فیلم‌برداری، نور فلش کوتاه‌برد و ۱۲ تا ۱۲۸ گیگابایت حافظه داخلی را باهم تلفیق می‌کند. تمام این قابلیت با یک System-on-chip که با سرعت بالای ۱ گیگاهرتز کار می‌کند، تلفیق شده است.

تغییر ساختارهای دوبعدی به ساختارهای سه‌بعدی برای برخی تکنولوژی‌ها ساده‌تر از دیگر تکنولوژی‌ها خواهد بود. یکی از بزرگ‌ترین دشواری‌ها برای اعمال ساختارهای سه‌بعدی در مدارهای منطقی مانند پردازنده‌ها (CPU)؛ این است که قرار دادن انبوه ترانزیستورهای حافظه روی ترانزیستورهای منطقی می‌تواند یکی از لایه‌ها یا هر دو لایه را -در صورت محبوس ماندن گرمای زیاد در فضای بسته- ذوب کند. قبلا شاهد حرکت تکنولوژی «نند فلش» (NAND flash) به سمت تولید سه‌بعدی بوده‌ایم، اما انتظار نمی‌رود تولید پردازنده‌های سه‌بعدی تا بازه زمانی ۲۰۲۱ تا ۲۰۲۴ شروع شود. از حالا تا آن زمان به نظر می‌آید تولیدکننده‌ها برای بهبود کارایی، مواد دیگری را مانند سیلیکون-ژرمانیوم (SiGe) یا نیم‌رساناهای ۵-۳ (نیم‌رساناهایی که در گروه‌های ۳ و ۵ جدول اتمی قرار دارند) ترکیب کنند.

نکته‌ای که ITRS تکرار می‌کند، ماهیت آنچه که موجب ایجاد پیشرفت می‌شود و اساس معیار‌های ما برای تشخیص بهبود کارایی همچنان روی مصرف انرژی کمتر در افزایش کلاک (clock) تأکید دارد. بخشی از این قضیه به دلیل ماهیت نیاز بازار است و بخش دیگر به دلیل قابلیت محدود مواد مورداستفاده فعلی در رسیدن به کلاک بالاتر است. همان‌طور که شکل بالا نشان می‌دهد؛ از لحاظ کارایی مطلق -حتی در مصرف انرژی بسیار کم- انتظار می‌رود تنها ترانزیستورهای تک‌قطبی FET وان در وال (van der Waal) بتواند با CMOS-های توان بالا برابری کند. در محیط‌های با ویژگی گرمایی محدودشده، ترانزیستورهای vdWFET و exFET با تحمیل بسته‌های انرژی محدود ۱۰ W/cm2 سریع‌تر عمل می‌کنند.

یک گزینه جایگزین که توسط ITRS پیشنهاد شد، این که ممکن است بهبودهایی را در استفاده از هسته‌های مختلط خاص شاهد باشیم؛ اعم از اینکه این هسته‌ها برای انجام واحدهای کاری خاص طراحی شوند یا با دقت زیاد برای کاربردهای مشخص تنظیم شوند. این یک راه‌حل پیشنهادی برای مشکلی است که به آن «مشکل تاریک سیلیکون» گفته می‌شود و قبلا پوشش داده‌ایم و توضیح آن نسبتا آسان است. به جای ساخت واحدهای چند هستهای با تعداد فزاینده تراشه‌های مشابه، تولیدکننده‌ها از بخشی از این فضا برای ساخت پردازنده‌های مخصوص وظایف مشخص استفاده خواهند کرد. به طور فرض، این بدین معنی خواهد بود که دوربین شما ممکن است یک پردازنده برای یک امر خاص داشته باشد و بقیه کارها روی سایر هسته‌ها اجرا شود. برخی پروژه‌های تحقیقاتی، ساختن هسته‌های کوچک برای مدیریت وظایف در سطح برنامه‌ای را تائید می‌کنند؛ اما گزارش ITRS وارد جزئیات این موضوع نمی‌شود.

نکته‌ی مورد تأکید گزارش ITRS که به‌طور واضح بیان نمی‌کند؛ این است که این نوع از مدارهای مجتمع و روش انتقال بسته انرژی را قبل از کامپیوترهای رومیزی، لپ‌تاپ‌ها و مانند این، در قلب توسعه اینترنت اشیاء (IoT) می‌بینیم. دلیل این موضوع ساده است و همان‌طور که در بالا اشاره شد؛ در حال حاضر، صنعت سیلیکون به‌سختی در تلاش است تا تراشه‌هایی تولید کند که در توان بسیار کمتری کار کنند و در عین حال بتواند مصرف انرژی آن‌ها را بهینه کند. اگر شما می‌خواهید نسل جدیدی از دستگاه‌های پوشیدنی تولید کنید، کاهش مصرف انرژی از ۱ به ۰.۷۵ وات یک پیشرفت بسیار بزرگ است اما تکنولوژی که به شما اجازه دهد این کاهش ۰.۲۵ واتی انرژی را اعمال کنید، ممکن است روی دستگاه‌هایی در محدوده لپ‌تاپ و کامپیوتر رومیزی ۱۵ تا ۱۴۰ وات به‌خوبی منتقل نشود. به‌طور مشابه، ساخت تراشه 3D همراه با پردازنده‌های درونی مستلزم انتقال گرمایی مناسب است، بنابراین تراشه‌هایی که برای اولین بار به این متدها متکی خواهند بود برخلاف هسته‌های به‌کاررفته در لپ‌تاپ یا کامپیوتر رومیزی شما، احتمالا دستگاه‌های بسیار توان-پایین باشند.

در حقیقت، به‌نوعی می‌توان گفت خلاصه گزارش‌های اجرایی ITRS درحالی‌که پیش‌بینی‌های وسیعی را در زمینه فرکانس، پهنای باند و آمار عملیاتی دستگاه‌های آینده در دیتاسنتر، موبایل و «اینترنت همه چیز» (Internet of Everything - جایگزین پیشنهادی جدید برای اینترنت اشیاء) دارد، اما پیش‌بینی در مورد آینده لپ‌تاپ‌ها و کامپیوتر‌های معمولی انجام نمی‌دهد. نزدیک‌ترین پیش‌بینی که ارائه می‌کند، این است که تا سال ۲۰۲۹ پردازنده متوسط موبایل دارای ۲۵ پردازشگر برنامه و ۳۰۳ هسته GPU همراه با یک فرکانس تک جزئی ۴.۷ GHz (می‌توان گفت فرکانس حیرت‌آوری است) خواهد بود.

نتیجه‌گیری: کسانی که به دنبال پیشرفت قابل‌توجه در کارایی CPU هستند؛ بهتر است به جای بهبود سرعت کلاک از طریق معماری‌های جدید محاسباتی، سراغ روش‌های بهبودیافته چند-نخی (multi-threading) یا عملکرد بهبودیافته حافظه بروند. با توجه به اینکه شرکت اینتل در مورد ارائه بهبودهای معماری در رکود، گیر افتاده است، در مواجه با این موضوع تعجب نخواهیم کرد.