Przez dziesięciolecia branża półprzewodnikowa kierowała się prostą formułą: zmniejszaj tranzystory, umieszczaj ich więcej na tym samym chipie, a komputery będą szybsze i wydajniejsze.
Zasadę tę znamy jako prawo Moore'a.
Pojawia się jednak problem: zbliżamy się do fizycznych granic miniaturyzacji tranzystorów.
Naukowcy z University of Illinois Urbana-Champaign zaprezentowali niedawno nową metodę budowania chipów krzemowych. Ich badania sugerują, że przyszłość układów scalonych niekoniecznie będzie polegać wyłącznie na jeszcze mniejszych tranzystorach.
Być może kluczem jest kierunek pionowy.
A to może mieć ogromne konsekwencje dla przyszłych procesorów w laptopach, stacjach roboczych i systemach AI.
Czym właściwie jest prawo Moore'a?
W 1965 roku współzałożyciel Intela Gordon Moore zauważył, że liczba komponentów, które można ekonomicznie umieścić na układzie scalonym, rośnie bardzo szybko.
Z czasem prawo Moore'a zaczęto kojarzyć przede wszystkim z ideą, że liczba tranzystorów na chipie mniej więcej podwaja się co kilka lat.
Nie jest to prawo natury. Stało się raczej celem, do którego branża półprzewodnikowa przez dziesięciolecia zaskakująco konsekwentnie się zbliżała.
Mniejsze tranzystory umożliwiały budowanie coraz bardziej złożonych procesorów CPU i GPU na mniej więcej tej samej powierzchni.
Więcej tranzystorów oznaczało większą moc obliczeniową.
A mniejsze procesy produkcyjne sprawiały, że układy były zazwyczaj również bardziej energooszczędne.
To działało doskonale przez dziesięciolecia.
Jednak nowoczesne tranzystory są już ekstremalnie małe.
W pewnym momencie nie można w nieskończoność zmniejszać struktur. Badacze z Illinois wskazują, że dalsza miniaturyzacja jest coraz bardziej ograniczana przez właściwości samego krzemu, a ostatecznie przez mechanikę kwantową.
Pojawia się więc pytanie: co robimy, gdy po prostu nie da się już znacznie bardziej zmniejszyć rozmiarów?
Nie budować mniejszego, lecz wyżej
Jedno rozwiązanie brzmi niemal oczywisto.
Jeśli w poziomie brakuje miejsca, wykorzystaj trzeci wymiar.
Nowoczesne procesory są tradycyjnie w dużej mierze zbudowane jako niezwykle złożone dwuwymiarowe struktury tranzystorów. Oczywiście już dziś istnieją różne formy technologii 3D, takie jak stacked memory czy 3D V-Cache.
Jednak w tym przypadku poszczególne die lub wafle są zazwyczaj najpierw produkowane oddzielnie, a następnie łączone ze sobą.
Badacze z Illinois pracują nad czymś bardziej ambitnym: monolityczną integracją 3D.
Polega ona na produkowaniu warstw tranzystorów bezpośrednio jedna na drugiej.
Różnicę można porównać do miasta, które zamiast rozrastać się o nowe przedmieścia, zaczyna budować wieżowce.
Zespół badawczy zademonstrował wiele pionowo zintegrowanych warstw tranzystorów i zbudował z nich między innymi układy logiczne oraz komórki pamięci SRAM.
Co jest szczególnie interesujące, to fakt, że warstwy te mogą być ze sobą połączone znacznie ciaśniej niż w przypadku konwencjonalnych technik chipów 3D.
Jest to istotne, ponieważ nowoczesne procesory są ograniczane nie tylko przez szybkość przełączania tranzystorów.
Przenoszenie danych pochłania coraz więcej czasu i energii.
Procesor musi nie tylko obliczać, ale też komunikować się
Staje się to szczególnie ważne w przypadku obciążeń AI.
CPU lub GPU może dysponować ogromną mocą obliczeniową, ale wszystkie jednostki obliczeniowe stale potrzebują danych.
Dane muszą przemieszczać się między rdzeniami, pamięcią podręczną, pamięcią RAM i innymi elementami systemu.
A to kosztuje energię.
Dzięki pionowemu zbliżeniu komponentów połączenia elektryczne mogą być krótsze.
Może to potencjalnie skutkować:
- większą przepustowością;
- niższą latencją;
- niższym zużyciem energii;
- większą mocą obliczeniową na milimetr kwadratowy.
Dla procesorów CPU, GPU i akceleratorów AI jest to szczególnie interesujące.
Podkreśla to ponadto coś, co w SKIKK obserwujemy od dłuższego czasu: wydajność komputerów coraz rzadziej zależy od jednej pojedynczej specyfikacji, a coraz bardziej od kompletnej architektury.
Szybszy CPU nie czyni komputera automatycznie szybszym.
Przepustowość pamięci ma znaczenie. Pamięć podręczna ma znaczenie. Nośnik danych ma znaczenie. Chłodzenie ma znaczenie. Limity mocy mają znaczenie.
Coraz częściej liczy się również to, jak efektywnie poszczególne komponenty mogą się ze sobą komunikować.
Trójwymiarowe architektury chipów mogą ostatecznie wprowadzić tę zasadę aż do poziomu tranzystorów.
Dlaczego więc jeszcze tego masowo nie robimy?
Ciepło.
A dokładniej: ciepło podczas procesu produkcji.
Produkcja konwencjonalnych wysokiej jakości tranzystorów krzemowych wymaga zazwyczaj bardzo wysokich temperatur.
Dla pierwszej warstwy nie stanowi to problemu.
Jednak gdy chcemy wyprodukować nową warstwę tranzystorów bezpośrednio nad istniejącymi układami, pojawia się poważny problem: istniejące połączenia metalowe nie wytrzymują tych wysokich temperatur.
Dlatego zespół badawczy opracował inne podejście.
Zamiast formować nowy krystaliczny krzem bezpośrednio nad istniejącą elektroniką, badacze produkują ultracienkie warstwy krzemowe oddzielnie, a następnie umieszczają je na płytce (wafer).
Dzięki temu można dodawać nowe warstwy tranzystorów bez uszkadzania istniejących układów.
A w teorii proces ten można następnie powtórzyć.
I znowu.
Czy prawo Moore'a jest zatem martwe?
Niekoniecznie.
Być może zmienia się przede wszystkim znaczenie słowa scaling.
Przez dziesięciolecia rozwój chipów oznaczał głównie:
Mniejsze tranzystory = więcej tranzystorów na chip.
W przyszłości coraz częściej może to być:
Więcej warstw = więcej tranzystorów na tej samej powierzchni.
Zamiast bez końca zmniejszać tranzystory, producenci chipów mogą więc coraz bardziej budować wzwyż.
Tę zmianę już teraz obserwujemy.
NAND flash od lat wykorzystuje struktury 3D. Nowoczesne procesory coraz częściej stosują chiplets. High Bandwidth Memory stosuje układanie dies pamięci. AMD wykorzystuje warstwową pamięć podręczną z 3D V-Cache.
Kierunek jest jasny: branża coraz bardziej odchodzi od przekonania, że jeden ogromny, płaski chip jest zawsze najlepszym rozwiązaniem.
Nie spodziewaj się jeszcze drapacza chmur z chipów w swoim następnym laptopie
Jest jednak duża różnica między udanymi badaniami a masową produkcją.
Badacze wykazali, że ich technika działa.
Jednak nowoczesne procesory konsumenckie zawierają miliardy tranzystorów.
Krok od demonstracji laboratoryjnej do milionów przystępnych cenowo chipów z ultranowoczesnej fabryki jest ogromny.
Nie jest to więc technologia, która prawdopodobnie już w przyszłym roku trafi do nowego laptopa SKIKK.
Jest to coś bardziej fundamentalnego.
To badanie pokazuje, jak procesory mogą się dalej rozwijać, gdy tradycyjne miniaturyzowanie tranzystorów staje się coraz trudniejsze.
Co może to oznaczać dla przyszłych laptopów?
Potencjalnie bardzo wiele.
Większa moc obliczeniowa na tej samej powierzchni.
Krótsze połączenia.
Mniejsze straty energii podczas przesyłu danych.
Może to ostatecznie prowadzić do procesorów, które:
stają się szybsze bez proporcjonalnego wzrostu rozmiaru;
zapewniają tę samą wydajność przy niższym zużyciu energii;
są lepiej przystosowane do wymagających lokalnych obciążeń AI.
W laptopach efektywność energetyczna jest co najmniej tak samo ważna jak czysta szybkość.
Komputerowi stacjonarnemu można stosunkowo łatwo dostarczyć więcej mocy i wyposażyć go w większy układ chłodzenia.
Laptop ma zawsze fizyczne ograniczenia.
Dostępna przestrzeń na chłodzenie, akumulator i podzespoły jest ograniczona.
Dlatego najciekawszy procesor przyszłości to może nie ten, który pobiera 200 watów i wygrywa w benchmarkach.
Być może to właśnie ten procesor, który potrafi wykonać to samo zadanie przy zaledwie 50 watach.
Koniec prawa Moore'a — czy kolejny rozdział?
Przez ponad pół wieku postęp w dziedzinie układów scalonych oznaczał przede wszystkim: mniejsze.
Nie zniknie to z dnia na dzień.
Jednak przyszłość będzie prawdopodobnie coraz mniej zależna wyłącznie od rozmiaru tranzystorów.
Chiплety.
Pamięć podręczna układana warstwowo.
Pamięć 3D.
Zaawansowane pakowanie układów.
Wyspecjalizowane akceleratory.
A może ostatecznie wiele warstw wysokiej jakości tranzystorów krzemowych bezpośrednio jeden nad drugim.
Układ przyszłości może być nie tylko mniejszy.
Być może przede wszystkim będzie wyższy.
A jeśli ta technologia zdoła przejść z laboratorium do masowej produkcji, prawo Moore'a być może wcale nie dobiegło końca.
Być może przez cały ten czas po prostu patrzyliśmy na nie zbyt dwuwymiarowo.
Ten artykuł powstał na podstawie badań Qing Cao i jego współpracowników z University of Illinois Urbana-Champaign. Ich praca "Monolithic three-dimensional integration of silicon transistors" ukazała się w 2026 roku w Nature.