Vuosikymmenten ajan siruteollisuus noudatti melko yksinkertaista kaavaa: tee transistoreista pienempiä, sijoita niitä enemmän samalle sirulle ja tietokoneista tulee nopeampia ja tehokkaampia.
Tämä periaate tunnetaan nimellä Mooren laki.
Mutta nyt on syntynyt ongelma: olemme törmäämässä transistorien fyysisiin kokorajoihin.
University of Illinois Urbana-Champaignin tutkijat ovat äskettäin esitelleet uuden tavan rakentaa piirisiruja. Heidän tutkimuksensa viittaa siihen, että tietokonesirujen tulevaisuus ei ehkä pyöri enää pelkästään entistä pienempien transistorien ympärillä.
Ehkä meidän pitää ennen kaikkea suunnata ylöspäin.
Ja tällä voi olla suuria vaikutuksia tulevien kannettavien tietokoneiden, työasemien ja tekoälyjärjestelmien prosessoreille.
Mitä Mooren laki oikeastaan tarkoittaa?
Vuonna 1965 Intelin perustajajäsen Gordon Moore totesi, että integroidulle piirille taloudellisesti sijoitettavissa olevien komponenttien määrä kasvoi erittäin nopeasti.
Myöhemmin Mooren laki liitettiin erityisesti ajatukseen, että sirun transistorien määrä kaksinkertaistuu noin muutaman vuoden välein.
Se ei ole luonnonlaki. Siitä tuli pikemminkin tavoite, johon siruteollisuus pysyi yllättävän lähellä vuosikymmenten ajan.
Pienemmät transistorit mahdollistivat yhä monimutkaisempien CPU:iden ja GPU:iden rakentamisen suunnilleen samalle pinta-alalle.
Enemmän transistoreita tarkoitti enemmän laskentatehoa.
Ja pienemmät valmistusprosessit tekivät siruista yleensä myös energiatehokkaampia.
Se toimi erinomaisesti vuosikymmeniä.
Mutta modernit transistorit ovat jo äärimmäisen pieniä.
Jossain vaiheessa rakenteita ei voida enää loputtomasti pienentää. Illinoisin tutkijat huomauttavat, että jatkuvaa miniatyyristämistä rajoittavat yhä enemmän piin ominaisuudet itse ja lopulta kvanttimekaniikka.
Kysymys kuuluukin: mitä teemme, kun pienempi ei yksinkertaisesti enää paljon onnistu?
Ei rakenneta pienempää, vaan korkeampaa
Yksi ratkaisu kuulostaa lähes itsestään selvältä.
Jos vaakasuunnassa on liian vähän tilaa, käytetään kolmatta ulottuvuutta.
Modernit prosessorit on perinteisesti rakennettu pääosin erittäin monimutkaisina kaksiulotteisina transistorirakenteina. Tänä päivänä on toki jo olemassa monenlaisia 3D-teknologioita, kuten stacked memory ja 3D V-Cache.
Niissä erilliset diet tai waferit kuitenkin tuotetaan yleensä ensin erikseen ja yhdistetään sitten toisiinsa.
Illinoisin tutkijat työskentelevät kunnianhimoisemman tavoitteen parissa: monolittinen 3D-integraatio.
Siinä transistorikerrokset tuotetaan suoraan päällekkäin.
Ero on kuin kaupunki, joka ei enää laajene uusiin lähiöihin, vaan alkaa rakentaa pilvenpiirtäjiä.
Tutkimustiimi demonstroi useita vertikaalisesti integroituja transistorikerroksia ja rakensi niiden avulla muun muassa loogisia piirejä ja SRAM-muistisoluja.
Erityisen kiinnostavaa on se, että nämä kerrokset voidaan yhdistää toisiinsa paljon tiiviimmin kuin perinteisissä 3D-sirutekniikkaratkaisuissa.
Tämä on tärkeää, sillä moderneja prosessoreita ei rajoita pelkästään se, kuinka nopeasti transistorit voivat kytkeytyä.
Myös datan siirtäminen vie yhä enemmän aikaa ja energiaa.
Prosessorin ei tarvitse ainoastaan laskea, vaan myös kommunikoida
Tämä korostuu erityisesti AI-työkuormissa.
CPU tai GPU voi sisältää valtavan määrän laskentatehoa, mutta kaikki nämä laskentayksiköt tarvitsevat jatkuvasti dataa.
Datan täytyy liikkua corien, välimuistin, muistin ja järjestelmän muiden osien välillä.
Ja se kuluttaa energiaa.
Sijoittamalla komponentit vertikaalisesti lähemmäs toisiaan voidaan sähköisiä yhteyksiä lyhentää.
Tämä voi potentiaalisesti mahdollistaa:
- suuremman kaistanleveyden;
- pienemmän latenssin;
- alhaisemman energiankulutuksen;
- enemmän laskentatehoa per neliömillimetri.
CPU:ille, GPU:ille ja AI-kiihdyttimille tämä on erityisen mielenkiintoista.
Se korostaa myös jotain, mitä olemme SKIKKillä jo pidempään havainneet: tietokoneen suorituskyky riippuu yhä vähemmän yhdestä yksittäisestä spesifikaatiosta ja yhä enemmän kokonaisarkkitehtuurista.
Nopeampi CPU ei automaattisesti tee tietokoneesta nopeampaa.
Muistin kaistanleveys on merkityksellinen. Välimuisti on merkityksellinen. Tallennustila on merkityksellinen. Jäähdytys on merkityksellinen. Tehonrajoitukset ovat merkityksellisiä.
Ja yhä useammin otetaan huomioon myös se, kuinka tehokkaasti eri osat voivat kommunikoida keskenään.
3D-siruarkkitehtuurit voivat lopulta viedä tämän periaatteen transistoritasolle asti.
Miksi emme siis vielä tee tätä laajassa mittakaavassa?
Lämpö.
Tai tarkemmin sanottuna: lämpö valmistusprosessin aikana.
Tavanomaisten korkealaatuisten piiransistoreiden valmistus vaatii normaalisti erittäin korkeita lämpötiloja.
Se ei ole ongelma ensimmäiselle kerrokselle.
Mutta jos haluat sen jälkeen valmistaa uuden transistorikerroksen suoraan olemassa olevien piirien päälle, syntyy vakava ongelma: olemassa olevat metalliset liitännät eivät kestä näitä korkeita lämpötiloja.
Tutkimustiimi kehitti siksi erilaisen lähestymistavan.
Sen sijaan että muodostettaisiin uutta kiteistä piitä suoraan olemassa olevan elektroniikan päälle, tutkijat valmistavat ultraohuita piikerroksia erikseen ja asettavat ne sitten waferille.
Näin uusia transistorikerroksia voidaan lisätä vahingoittamatta alla olevia piirejä.
Ja teoriassa tämän prosessin voi sitten toistaa uudelleen.
Ja uudelleen.
Onko Moore's law sitten kuollut?
Ei välttämättä.
Ehkä ennen kaikkea sanan scaling merkitys muuttuu.
Vuosikymmeniä sirujen kehitys tarkoitti ennen kaikkea:
Pienempiä transistoreita = enemmän transistoreita per siru.
Tulevaisuudessa näin voi tapahtua yhä useammin:
Enemmän kerroksia = enemmän transistoreita samalla pinta-alalla.
Sen sijaan, että transistoreita tehtäisiin loputtomasti pienemmiksi, sirunvalmistajat voivat siis rakentaa yhä enemmän korkeussuunnassa.
Tämä muutos on jo nähtävissä.
NAND-flash on käyttänyt 3D-rakenteita jo vuosia. Modernit prosessorit hyödyntävät yhä useammin chiplet-arkkitehtuuria. High Bandwidth Memory pinottaa muistidie-osia. AMD käyttää pinottua välimuistia 3D V-Cache-tekniikalla.
Suunta on selvä: teollisuus luopuu yhä enemmän ajatuksesta, että yksi valtava, litteä siru on aina paras ratkaisu.
Älä odota sirupilvenpiirtäjää seuraavaan kannettavaasi
Onnistuneen tutkimuksen ja massatuotannon välillä on kuitenkin suuri ero.
Tutkijat ovat osoittaneet, että heidän tekniikkansa toimii.
Mutta modernit kuluttajaprosessorit sisältävät miljardeja transistoreita.
Askel laboratoriodemonstroinnista miljooniin edullisiin siruihin huippumodernista tehtaasta on valtava.
Tämä ei siis todennäköisesti ole teknologia, joka löytyy uudesta SKIKK-kannettavasta ensi vuonna.
Se on perustavanlaatuisempaa kuin se.
Tämä tutkimus osoittaa, miten prosessorit voivat mahdollisesti kehittyä edelleen, kun perinteinen transistorien pienentäminen käy yhä vaikeammaksi.
Mitä tämä voi tarkoittaa tulevaisuuden kannettaville?
Potentiaalisesti hyvin paljon.
Enemmän laskentatehoa samalla pinta-alalla.
Lyhyemmät yhteydet.
Vähemmän energiahäviötä tiedonsiirrossa.
Tämä voi lopulta johtaa prosessoreihin, jotka:
nopeutuvat ilman vastaavaa koon kasvua;
tarjoavat saman suorituskyvyn pienemmällä energiankulutuksella;
soveltuvat paremmin raskaisiin paikallisiin AI-työkuormiin.
Kannettavissa tietokoneissa energiatehokkuus on vähintään yhtä tärkeää kuin pelkkä nopeus.
Pöytätietokoneelle voidaan suhteellisen helposti antaa enemmän virtaa ja varustaa se suuremmalla jäähdyttimellä.
Kannettavalla tietokoneella on aina fyysiset rajoituksensa.
Jäähdytykselle, akulle ja laitteistolle on vain rajallisesti tilaa.
Tulevaisuuden kiinnostavin prosessori ei siksi ehkä ole se, joka kuluttaa 200 wattia ja voittaa benchmarkin.
Ehkä se onkin prosessori, joka suoriutuu samasta työkuormasta 50 watilla.
Mooren lain loppu — vai vasta seuraava luku?
Yli puoli vuosisataa edistys siruissa tarkoitti ennen kaikkea: pienempi.
Se ei katoa yhtäkkiä.
Mutta tulevaisuus riippuu todennäköisesti yhä vähemmän pelkästään transistorien koosta.
Chipletit.
Pinottava välimuisti.
3D-muisti.
Edistynyt pakkaaminen.
Erikoistuneet kiihdyttimet.
Ja ehkä lopulta useita kerroksia korkealaatuisia piiransistoreita suoraan toistensa päälle.
Tulevaisuuden siru ei välttämättä ole pelkästään pienempi.
Se on ehkä ennen kaikkea korkeampi.
Ja jos tämä teknologia pystyy siirtymään laboratoriosta massatuotantoon, Mooren laki ei välttämättä ole lainkaan tullut tiensä päähän.
Ehkä olemme koko ajan vain katsoneet sitä liian kaksiulotteisesti.
Tämä artikkeli perustuu Qing Caon ja hänen kollegoidensa tutkimukseen University of Illinois Urbana-Champaignista. Heidän tutkimuksensa "Monolithic three-dimensional integration of silicon transistors" julkaistiin vuonna 2026 Nature-lehdessä.