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Conception électronique
Développement futur de la loi de Moore
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Développement futur de la loi de Moore

Développement futur de la loi de Moore

2021-08-14
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Author:ipcb

Dans les années 1950, Gordon Moore, cofondateur de Fairchild Semiconductor et d'Intel, a publié un article soulignant que le nombre de composants par circuit intégré doublera chaque année au cours de la prochaine décennie. En 1975, il a revu ses prévisions et indiqué que le nombre de composants doublait maintenant tous les deux ans. C'est la fameuse loi de Moore.

Développement futur de la loi de Moore

Pendant des décennies, la loi de Moore s'est avérée correcte. Moreover, La loi de Moore a guidé la fabrication et la conception des puces. Researchers at Intel and AMD have always set goals and targets according to Moore's law. La loi de Moore favorise le développement rapide de la conception des puces, computers become smaller and smaller. La loi de Moore n'est pas seulement une prédiction, it has become the goal and standard that manufacturers aim to achieve. Voici quelques exemples de la loi de Moore:

En 1971, l'un des premiers procédés de fabrication de semi - conducteurs était de 10 microns (ou 100 000 fois plus petit qu'un mètre). En 2001, il avait atteint 130 nanomètres, soit près de 80 fois moins qu'en 1971.

En 2017, la technologie des transistors était de 10 nanomètres. Comparé aux cheveux humains, il a un diamètre de 100 microns et est près de 10 000 fois plus grand que les transistors d'aujourd'hui.

La crise de la loi de Moore

Avec le développement de circuits à grande échelle, les transistors deviennent de plus en plus petits et le nombre de circuits intégrés augmente dans l'ordre géométrique, mais le processus de fabrication devient de plus en plus difficile. Pour surmonter ces obstacles techniques et technologiques, il faut non seulement beaucoup de temps et de recherche, mais aussi beaucoup de capitaux et d'investissements. Ainsi, le temps de la loi de Moore ralentit progressivement, et peut - être même ne s'établit pas très rapidement, et la crise de la loi de Moore éclate (ce qui, bien sûr, est inévitable s'il n'y a pas de changement majeur).

Il a fallu environ deux ans et demi à Intel pour passer du processus de 22 nm en 2012 au processus de 14 nm en 2014. Depuis lors, la recherche et le développement à 10 nm ont posé des problèmes et ont été retardés à plusieurs reprises. Il ne sera probablement pas disponible avant 2019. Toutefois, la bonne nouvelle est que la carte graphique AMD 7nm et le processeur seront disponibles en 2019 (voir l'article récent « AMD future Product Outlook... »). Parce que la loi de Moore n'est pas une vraie loi, mais une prédiction ou une spéculation. Bien que les fabricants de puces se soient engagés à atteindre et à maintenir leurs objectifs, cela est devenu de plus en plus difficile.

Pour citer Moore lui - même en 2015: « Je pense que la loi de Moore disparaîtra dans une décennie ou plus.»

Tunnel quantique

As electronic components become smaller and smaller (nano scale), Les propriétés quantiques et les effets apparaissent progressivement. As we continue to reduce the size of the transistor, La taille de la couche d'épuisement de la jonction PN diminue également. La couche de déplétion est importante pour empêcher le flux d'électrons. The researchers calculated that transistors less than 5nm will not be able to stop the flow of electrons due to the tunneling effect of electrons in their depletion region. Parce que les tunnels, electrons will not perceive the depletion region and "cross" directly. Si vous ne pouvez pas arrêter le flux d'électrons, the transistor will fail.

De plus, nous approchons maintenant lentement de la taille de l'atome lui - même. En théorie, nous ne pouvons pas fabriquer un transistor plus petit qu'un atome. Le diamètre de l'atome de silicium est d'environ 1 nanomètre, et la taille de la porte de notre transistor est environ 10 fois plus grande. Même sans tenir compte des effets quantiques??, Nous atteindrons également les limites physiques des transistors, qui ne peuvent être plus petites.

Future development of Moore's law

Effets du courant et du chauffage

Outre le tunnel quantique et les limites physiques, il y a deux problèmes techniques très stricts, à savoir les effets thermiques des transistors de petite taille. À mesure que les transistors deviennent plus petits, ils ont tendance à devenir plus « étanches », même lorsqu'ils sont éteints. Il est également inévitable de laisser passer un certain courant électrique. Ça s'appelle un courant de fuite. Si nous définissons le courant de fuite à 100 na, si le processeur a 100 millions de transistors, le courant de fuite sera de 10 A. Cela épuisera la batterie du téléphone en quelques minutes. Une tension de porte plus élevée peut réduire le débit de fuite, mais cela entraînera plus d'effets thermiques. Même sans cela, chaque horloge elle - même consomme beaucoup de chaleur. Les fabricants doivent utiliser ces attributs et les adapter pour éviter ces effets. À mesure que le processus devient plus petit, il devient de plus en plus difficile.

Un courant de fuite élevé peut également causer des problèmes de silicium foncé et de mémoire noire. Bien qu'il puisse y avoir beaucoup de transistors dans notre puce, la plupart d'entre eux doivent rester fermés pour empêcher la surchauffe et la fusion de la puce. Tous ces transistors à l'état fermé occupent beaucoup d'espace et peuvent être utilisés pour placer d'autres composants. Cela soulève la question suivante: devons - nous vraiment être plus petits ou devons - nous améliorer la conception actuelle des puces?

Perspectives d'avenir

5nm design

Compte tenu de tous ces facteurs, les cadres d'Intel et la Feuille de route internationale pour la technologie des semi - conducteurs suggèrent que 5 nm pourrait être la taille limite réalisable. La première apparition de 5NM est prévue en 2021. Que pouvons - nous attendre d'autre après?

L'échelle dennard l'échelle dennard est considérée comme la méthode soeur de la loi de Moore. Il a été développé par Robert dennard en 1974 et indique que sa densité de puissance diminuera à mesure que le transistor diminuera. Cela signifie qu'à mesure que les transistors deviennent plus petits, la tension et le courant nécessaires pour les faire fonctionner diminuent également. Cette loi permet aux fabricants de réduire la taille des transistors et d'augmenter la vitesse de l'horloge à une plus grande vitesse de saut à chaque itération. Cependant, vers 2007, la taille du dennard s'est effondrée. Cela s'explique par le fait que, dans les petites dimensions, le courant de fuite peut réchauffer le transistor et causer d'autres pertes.

Nous avons peut - être remarqué que même si le transistor est devenu plus petit, la vitesse de calcul du processeur n'a pas augmenté au cours de la dernière décennie en raison de l'écrasement de l'échelle dennard. Les pertes élevées à haute fréquence d'horloge sont également la raison pour laquelle les puces de Smartphone utilisent des vitesses d'horloge plus faibles (généralement 1,5 GHz).

Loi de coom

Amélioration de la mise en œuvre actuelle des puces et amélioration de la tuyauterie d'instruction, we can improve the performance of the chip. C'est pourquoi le professeur Jonathan Kumi de l'Université de Stanford a proposé la loi de Kumi: chaque fois que l'énergie par Joule est multipliée par un.5 years. Cette situation devrait se poursuivre jusqu'en 2048., Lorsque le principe de Randall et les lois simples de la thermodynamique ont empêché d'autres améliorations. Actuellement, L'efficacité de l'ordinateur à la limite de landauer est d'environ 0.00001%.

Architecture multicentrique

Traditional programming languages (such as Java, C + + and python) can only run on a single device. Mais à mesure que les appareils deviennent plus petits et moins chers,, Nous pouvons exécuter le même programme simultanément ou en parallèle sur de nombreuses puces pour améliorer encore les performances. In this regard, Les langues comme golang et Node joueront un rôle plus important.

Recherche sur les nouveaux matériaux

Partout dans le monde, les chercheurs cherchent des moyens nouveaux et novateurs de fabriquer des transistors plus petits et plus rapides. Il a été démontré que des matériaux tels que le Nitrure de gallium et le Graphène présentent moins de pertes à des fréquences de commutation plus rapides.

Calcul quantique

At present, La solution possible est de développer des ordinateurs quantiques. Companies like d-wave and rigetti computing are working extensively in this field. Plus important encore,, the expansion of qubits' law has not yet begun. Une façon de contourner l'extension dennard est de mettre plus de noyaux dans une seule puce pour améliorer les performances. At present, L'informatique quantique montre de grandes perspectives. Its advantage is that it can have multiple states (different from other computers 0 and 1). At present, Certains calculs quantiques expérimentaux ont donné de bons résultats, Par exemple, l'algorithme de nombres aléatoires réels basé sur la technologie quantique a été couronné de succès.