قانون مور، قسمت چهارم: سیاست تیک-تاک و آینده صنعت نیمه رسانا

[Almas Parsi]

قانون مور، قسمت چهارم: سیاست تیک-تاک و آینده صنعت نیمه رسانا


منبع : نارنجی

طی سه روز گذشته در نارنجی با سه قسمت از قانون مور همراه شما بوده ایم. امروز نوبت قسمت چهارم رسیده است. اگرچه در ابتدا از قانون مور به عنوان یک پیشگویی نام برده می شد اما به مرور تبدیل به یک قانون شد و مورد قبول همگان گردید. امروزه از آن بیشتر برای هدف گذاری در صنعت استفاده می شود. هم در قسمت بازاریابی و هم در قسمت مهندسی نیمه رساناها، تمام اهداف برای بهبود شرکت، طبق این قانون گذاشته می شود. به نوعی می توان گفت که این قانون برای پیش بینی وضعیت خود شرکت در آینده استفاده می شود. در ادامه مطلب با ما باشید کمی وارد سیاست های پیشرفت و تکنولوژی های آینده شویم.

در اینجا کمی از قانون فاصله می گیریم و به سیاست «تیک تاک» می پردازیم. تقریبا تمامی روندهای پیشرفت از استراتژی تیک تاک بهره می برند. (همان سیاستی که اینتل سر لوحه کار خود قرار داده است.)

تیک بخش اول این استراتژی است و به معنی بهبود تکنولوژی فعلی است. در صنعت نیمه رساناها با معرفی یک نسل جدید که نسبت به نسل پیشین که معماری کوچک‌تری دارد، عملیاتی می‌شود. برای مثال آمدن معماری 32 نانومتری به جای 45 نانومتری.

تاک که بخش دوم است به معنای یک کشف جدید است. یک کشف که به کلی تکنولوژی های قبلی را دگرگون می کند. در قسمت قبل چند مورد از تاک ها را دیدید. مثلا اختراع لیزر اکسکلیمر.

این سیاست تیک و تاک را می توانید در هر تکنولوژی رو به رشدی ببینید. این همان سیاستی است که قانون مور را بعد از این همه سال زنده نگه داشته است.

در قانون مور هر زمان که سیاست تیک (بهبود تکنولوژی فعلی) به بن بست نزدیک می شد (دیگر جای بیشتری برای فشرده کردن وجود نداشت) و همه فکر می کردند که قانون مور به پایان عمر خود رسیده یک استراتژی تاک رو می شد. کشفی که سیستم های فعلی را به کلی دگرگون می کرد و تکنولوژی را از یک سطح به سطح دیگری می برد.

در آینده زمانی که فشرده سازی تکنولوژی های فعلی به بن بست نزدیک شده است. باز هم تکنولوژی های جدید (یک «تاک») خواهد آمد تا ادامه دهنده قانون مور باشد. در زیر به بعضی از این «تاک» های احتمالی می پردازیم:

ثبت رکورد سرعت جدید: ۵۰۰ گیگاهرتز!

محققان آی بی ام و Georgia Tech در یک ترانزیستور سیلیکون/جرمانیوم هلیوم بی نهایت سرد شده، یک رکورد سرعت جدید ثبت کردند: ۵۰۰ گیگاهرتز. ترانزیستور به سرعت بالای ۵۰۰ گیگاهرتز در دمای ۴.۵ درجه کلوین رسید (۴.۵ درجه بالای صفر مطلق معادل ۲۶۸.۶۵- درجه سانتیگراد) و به نظر می رسد که این ماده می تواند به سرعت یک تراهرتز (۱۰۰۰ گیگاهرتز) نیز برسد. اگرچه این تست فقط روی یک ترانزیستور انجام شده است.

مدارات مجتمع ۲۹.۹ نانومتری

با استفاده از لیتوگرافی لیرز اکسکلیمر ماوای بنفش عمیق و در جهت بهبود ساخت چیپ های نیمه رسانا، محققان آی بی ام در اوایل ۲۰۰۶ توانستند توسط یک لیزر اکسکلیمر آرگون-فلوراید با طول موج ۱۹۳ نانومتر، مدارات مجتمعی ۲۹.۹ نانومتری تولید کنند. آی بی ام ادعا می کند این تکنیک احتمالا تولید کنندگان را قادر می سازد با همین روش های فعلی هفت سال دیگر مطابق قانون مور پیشرفت کنند. روش های جدید برای دستیابی به مدارات چیپ های کوچکتر، از مواد اولیه گران تری استفاده می کنند.

ممریستور

در آوریل ۲۰۰۸، محققان در آزمایشگاه های اچ پی اعلام کردند یک ممریستور ساخته اند: جز چهارم مدارات basic passive که قبلا وجودش در تئوری ها اعلام شده بود. ممریستورها در ساخت ابزارهای الکترونیکی کوچکتر و با کارایی بهتر کمک کننده اند.

ترانزیستور junctionless جهان

در فوریه ۲۰۱۰، محققان در انستیتو Tyndall National در کورک ایرلند از یک کشف در ترانزیستورها خبر دادند و گفتند که اولین ترانزیستور junctionless جهان را طراحی و ساخته اند. این پروژه بوسیله پروفسور Jean-Pierre Colinge در Nature Nanotechnology منتشر شد. این مقاله توضیح می داد یک دروازه کنترلی در اطراف یک نانوسیم سیلیکونی (Nanowire = سیمی به ضخامت چند نانومتر) که محکم به دور یک سیم پیچیده شده باشد می تواند عبور الکترونها را کنترل کند و دیگر نیازی به مفصل (junction) ها نیست. بر این اساس محققان ادعا می کنند اندازه ترانزیستورهای بدون مفصل (junctionless) جدید، با استفاده از تکنولوژی های فعلی، می تواند تا ۱۰ نانومتر کاهش پیدا کند.

ترانزیستور تک الکترونی

در آوریل ۲۰۱۱، یک تیم محقق در دانشگاه پیتسبورگ از ساخت یک ترانزیستور تک الکترونی به قطر ۱.۵ نانومتر پرده برداشت که با استفاده از مواد اکسیددار ساخته شده بود. محققان، این ترانزیستور را به این صورت توضیح می دهند: سه «سیم» که دور یک «جزیره» مرکزی پیچیده شده اند. در این ساختار یک یا دو الکترون قرار دارد. الکترون ها داخل سیم ها هستند و می توانند از طریق جزیره به سیم دیگر بروند. حال بر حسب اینکه سیم سوم (احتمالا خارجی ترین سیم) حاوی الکترون باشه یا نه، صفر و یک شکل می گیرند. از این ترانزیستور می توان برای ذخیره سازی اطلاعات استفاده کرد.

اولین ترانزیستور بر پایه یک اتم

در فوریه ۲۰۱۲، یک تیم تحقیق از دانشگاه نیوساوت ولز از اولین ترانزیستور بر پایه یک اتم که روی یک کریستال سیلیکونی قرار داده شده بود، رونمایی کرد. بر اساس قانون مور احتمالا باید حدود سال ۲۰۲۰ به این تکنولوژی برسیم.

---

اما قانون مور تا کجا می تواند ادامه یابد؟: محدوده نامحدود قانون مور

در آوریل ۲۰۰۵، گوردون مور در یک مصاحبه گفت که قانون نامحدود نیست: «این قانون تا ابد ادامه نمی یابد. طبیعت پدیده های تصاعدی به این صورت است که شما آنها را آنقدر ادامه می دهید تا یک فاجعه اتفاق بیفتد». او همچنین تاکید کرد که ترانزیستورها همچنین حداکثر می توانند تا حد اتم ها کوچک شوند:
از نظر اندازه (در ترانزیستورها)، اندازه اتم ها یک مانع اساسی است، البته هنوز دو یا سه نسل تا رسیدن به این اندازه فاصله باقی است - و این فاصله در حدی است که ما حتی نمی توانیم چگونگی آن را درک کنیم. ما هنوز ۱۰ تا ۲۰ سال تا رسیدن به این حد فاصله داریم. در آن زمان ما قادر خواهیم بود که چیپ هایی حاوی میلیاردها ترانزیستور خلق کنیم.

در عکس بالا کاهش اندازه حافظه های فلش NAND را به صورت نصف شدن اندازه در هر ۱۸ ماه می بینیم. (مقیاس عمودی در نمودار لگاریتمی است.)

در عکس بالا، افزایش اختلاف ولتاژ بین دو نانوسیم، موجب تشکیل کانالی با بار منفی (کانالی حاوی الکترون ها) و ایجاد آستانه ولتاژ در یک نانوسیم MOSFET می شود. توجه کنید که آستانه ولتاژ در اینجا حدود ۰.۴۵ ولت است. نانوسیم MOSFET در انتهای نقشه راه تکنولوژی جهانی برای نیمه رساناها (ITRS roadmap) و جهت رسیدن به طول های زیر ۱۰ نانومتر است.

در ژانویه ۱۹۹۵، میکروپردازنده Digital Alpha 21164 برابر با ۹.۳ میلیون ترانزیستور داشت. این پردازنده ۶۴ بیتی سرآمد تکنولوژی زمان خود بود. شش سال بعد بهترین پردازنده بیش از ۴۰ میلیون ترانزیستور داشت. به نظر می رسد که ادامه کوچک سازی ترانزیستورها تا سال ۲۰۱۵، پردازنده هایی حاوی ۱۵ میلیارد ترانزیستور و به نظر می رسد در سال ۲۰۲۰ تولیداتی در حد مولکولی داشته باشیم که هر ملکول بتواند یک خصوصیت خاص داشته باشد.

در سال ۲۰۰۳، شرکت اینتل پیش بینی کرد که پایان کار چیزی بین سال های ۲۰۱۳ و ۲۰۱۸ خواهد بود که پردازنده های ۱۶ نانومتری و gate های ۵ نانومتری تولید شوند و بعلت خاصیت تونلی بودن کوانتوم کاهش بیشتر اندازه ممکن نیست. اگرچه سایرین توصیه کردند که می توان چیپ های بزرگتر یا چند لایه ساخت. اما در سال ۲۰۰۸ این شرکت پیش بینی خود را تغییر داد و گفت که قانون مور حداقل تا یک دهه آینده باقی خواهد ماند.

بعضی انتهای قانون مور را چیزی در آینده دور می بینند. Lawrence Krauss و Glenn D. Starkman در مقاله شان اعلام کردند، بر اساس تخمین های پیچیده ای معتقدند، حداکثر گنجایش اطلاعات پردازشی جهانی، یک حد نزدیک به بی نهایت و در حدود ۶۰۰ سال آینده اتفاق خواهد افتاد که به Bekenstein bound محدود خواهد شد.

برای مثال این حد تئوریک در عمل، یک «لپ تاپ بی نهایت» خواهد بود به وزن یک کیلوگرم و حجم یک لیتر که با محدود شدن سرعت به سرعت نور، محدودیت اندازه ترانزیستورها تا کوانتوم و ثابت های gravitational و Boltzmann که قادر است 5.4258 ضربدر ۱۰ به توان ۵۰ محاسبه منطقی را در هر ثانیه روی ۱۰ به توان ۳۱ بیت اطلاعات انجام دهد.

تمام موارد بالا نشان می دهد که قانون مور بالاخره زمانی متوقف خواهد شد. اما از طرف دیگر می دانیم، قانون مور از گذشته مدام به موانعی بر می خورده که در نگاه اول غیر قابل عبور بوده اند اما پس از مدتی قابل حل شده اند. بر این اساس، مور می گوید اکنون قانونش را بسیار زیباتر از گذشته می بیند: «قانون مور شکننده قانون مورفی است. همه چیز مدام بهتر و بهتر خواهد شد.»

توضیح: قانون مورفی، قانونی ضرب المثل وار و طنزگونه است که معتقد است: «هر چیزی که بتواند خراب شود، حتما خراب خواهد شد».
طبق این قانون همیشه، همه چیزها در بدترین و نامناسبترین زمان به خطا می‌روند و کارها را لنگ می‌گذارند. معمولاً هنگامی که شخصی همواره بدشانسی می‌آورد او را شامل قانون مورفی می‌نامند.
این قانون را با ذکر مثال بهتر درک می کنید. برای مثال طبق این قانون است که:
- اگر بدترین زمان خراب شدن برای چیزی وجود داشته باشد، همان زمان است که خراب می‌شود. مثلا دقیقا در مهمترین زمانی که به موبایل خود احتیاج دارید، همان زمان به دلیل یک بدهی ۱۰ هزار تومانی موبایل شما قطع شود.
- از دست دادن شنوایی برای همه نا گوار است اما این اتفاق دقیقا برای آهنگساز مشهوری چون بتهوون رخ می‌دهد.

در قسمت پنجم و آخر، «کمربندها را می بندیم و می رویم در اعماق» پیش بینی آینده با کمک قانون مور.