Ngành công nghiệp bán dẫn đang đứng trước ngã tư đường. Trong khi mật độ transistor vẫn tiếp tục tăng gấp đôi mỗi hai năm như định luật Moore dự đoán, nền tảng kinh tế hỗ trợ sự tiến bộ này đang sụp đổ. Điều bắt đầu như một quan sát về tiến bộ công nghệ đã phát triển thành cuộc thảo luận về sự tồn tại trong một ngành công nghiệp nơi chỉ những người chơi giàu có nhất mới có thể cạnh tranh.
Cuộc tranh luận trong cộng đồng tiết lộ những lo ngại sâu sắc về việc liệu các phương pháp hiện tại trong sản xuất chip có đại diện cho con đường hiệu quả nhất phía trước hay không. Một số chuyên gia đặt câu hỏi liệu việc ngành công nghiệp tập trung vào việc đẩy giới hạn vật lý có làm lu mờ những giải pháp thực tế hơn có thể mang lại hiệu suất tương đương với chi phí thấp hơn hay không.
Chi phí sản xuất loại bỏ cạnh tranh
Kinh tế học của sản xuất chip đã trở nên tàn khốc. Ba mươi lăm năm trước, khoảng 40 công ty có thể đủ khả năng xây dựng các cơ sở sản xuất bán dẫn với chi phí từ 1-4 tỷ đô la Mỹ. Ngày nay, chỉ còn hai hoặc ba công ty có khả năng xây dựng các nhà máy hiện tại có chi phí hơn 18 tỷ đô la Mỹ mỗi nhà máy. Xu hướng này chỉ ra một tương lai nơi một nhà máy duy nhất có thể có chi phí gần nửa nghìn tỷ đô la Mỹ, có khả năng giảm số lượng nhà sản xuất khả thi xuống còn ít hơn một.
Sự hợp nhất này mở rộng ra ngoài chỉ chi phí xây dựng. Photomask, đóng vai trò như khuôn mẫu cho sản xuất chip, đã tăng vọt từ hàng trăm nghìn đô la Mỹ lên khoảng 50 triệu đô la Mỹ tại các nút tiên tiến. Đối với các đợt sản xuất nhỏ hơn, chỉ riêng chi phí mặt nạ này có thể thêm hàng triệu đô la Mỹ vào giá của mỗi chip, thực sự đẩy giá các nhà sản xuất nhỏ hơn ra khỏi sản xuất tiên tiến.
Sự phát triển chi phí sản xuất
- 35 năm trước: ~40 công ty, 1-4 tỷ USD cho mỗi nhà máy sản xuất chip
- Hiện tại: 2-3 công ty, 18+ tỷ USD cho mỗi nhà máy sản xuất chip
- Dự báo tương lai: <1 công ty, ~500 tỷ USD cho mỗi nhà máy sản xuất chip
Giới hạn vật lý thách thức việc mở rộng quy mô truyền thống
Những thách thức kỹ thuật mà định luật Moore đối mặt cũng đáng sợ không kém. Các transistor 12 nanometer hiện tại thực tế không đo được 12 nanometer theo bất kỳ chiều có ý nghĩa nào - những con số này đã trở thành thuật ngữ marketing hơn là đo lường vật lý. Dấu chân thực sự của các transistor hiện đại gần 65 nanometer mỗi bên, bị hạn chế bởi những giới hạn hình học trong việc đóng gói mạch.
Quang khắc Tia cực tím cực đoan ( EUV ), giải pháp hiện tại của ngành công nghiệp để tạo ra các tính năng nhỏ hơn, sử dụng ánh sáng bước sóng 13.5 nanometer về mặt kỹ thuật đủ điều kiện như tia X mềm. Điều này đòi hỏi các gương cong chính xác đến từng nguyên tử và loại bỏ khả năng sử dụng thấu kính truyền thống, làm cho quá trình sản xuất trở nên cực kỳ phức tạp và đắt đỏ.
Hóa học của photoresist đưa ra một rào cản khác. Những vật liệu nhạy sáng này cho phép tạo mẫu chip chỉ hoạt động khi tạo thành các cụm đủ lớn để ổn định. Hầu hết các photoresist thông thường ngừng hoạt động dưới 7-10 nanometer, với ngay cả các lựa chọn thay thế thử nghiệm cũng thất bại dưới 5 nanometer.
Kích thước vật lý của Transistor
- Kích thước được quảng cáo: "12 nanometer"
- Diện tích thực tế: ~65nm × 65nm (4000-5000 nanometer vuông)
- Khoảng cách gate: 56-90nm khoảng cách tối thiểu giữa các transistor
Các phương pháp thay thế thu hút sự chú ý
Các cuộc thảo luận trong cộng đồng làm nổi bật sự quan tâm ngày càng tăng đối với các phương pháp sản xuất thay thế ưu tiên giảm chi phí hơn hiệu suất tuyệt đối. Một số đề xuất rằng các chip xử lý song song cao được thiết kế để chịu đựng tỷ lệ lỗi cao hơn có thể được sản xuất trong các cơ sở rẻ hơn rất nhiều. Phương pháp này sẽ đánh đổi một số độ chính xác để tiết kiệm chi phí đáng kể, có khả năng mở ra các thị trường và ứng dụng mới.
Khái niệm về thị trường xe đã qua sử dụng cho máy tính cũng thu hút sự chú ý trong các cuộc trò chuyện cộng đồng. Nếu cải thiện hiệu suất chậm lại đáng kể, người tiêu dùng có thể chuyển sang mua các hệ thống cao cấp được thiết kế để tồn tại lâu hơn, tương tự như cách xe hơi sang trọng cuối cùng trở nên phải chăng thông qua khấu hao.
Một lựa chọn thay thế không phải phù hợp với tất cả khả năng của công nghệ hiện tại. Nó 'chỉ' phải cạnh tranh trong một thị trường ngách, giống như Tiến thoái lưỡng nan của Nhà đổi mới.
Sự trì trệ tốc độ xung nhịp tiết lộ các vấn đề sâu xa hơn
Trong khi số lượng transistor tiếp tục tăng, tốc độ xung nhịp phần lớn đã trì trệ kể từ năm 2006. AMD đã ra mắt bộ xử lý 1 GHz đầu tiên vào năm 2000, với Intel dự đoán bộ xử lý 10 GHz vào năm 2011. Các bộ xử lý máy tính để bàn ngày nay thường đạt tối đa khoảng 4 GHz, tiết lộ rằng việc mở rộng transistor thô không còn chuyển đổi trực tiếp thành cải thiện hiệu suất.
Sự trì trệ này xuất phát từ sự phá vỡ của Dennard Scaling, dự đoán rằng mật độ công suất sẽ không đổi khi transistor thu nhỏ. Dòng rò rỉ và các yếu tố khác không đáng kể ở quy mô lớn hơn giờ đây chi phối tiêu thụ điện năng, buộc các nhà sản xuất phải vô hiệu hóa các phần lớn của chip để quản lý nhiệt và yêu cầu điện năng.
Dòng thời gian Đình trệ Tốc độ Xung nhịp
- 2000: Bộ vi xử lý 1 GHz đầu tiên ( AMD )
- 2011: Intel dự đoán bộ vi xử lý 10 GHz
- 2023: Bộ vi xử lý máy tính để bàn tối đa ~4 GHz tốc độ boost
- Nguyên nhân: Sự sụp đổ của Quy luật Dennard vào khoảng năm 2006
Ngành công nghiệp tìm kiếm giải pháp gia tăng
Khoản đầu tư của Intel vào cung cấp điện mặt sau đại diện cho loại tối ưu hóa hiện đang thúc đẩy tiến bộ. Công nghệ này di chuyển dây điện nguồn sang mặt sau của chip, đòi hỏi hàng triệu kết nối nhỏ qua chất nền silicon. Mặc dù có ý nghĩa, những cải tiến như vậy mang lại lợi ích một lần thay vì việc mở rộng quy mô có thể lặp lại đã xác định các thập kỷ trước.
Sự chuyển dịch hướng tới chiplet và xếp chồng die phản ánh tư duy tương tự - khai thác giá trị thông qua thay đổi kiến trúc thay vì mở rộng quy mô thuần túy. Những phương pháp này có thể cải thiện hiệu suất và giảm chi phí, nhưng chúng đại diện cho các chiến lược khác biệt cơ bản so với việc thu nhỏ không ngừng nghỉ đã thúc đẩy định luật Moore.
Ngành công nghiệp bán dẫn đối mặt với một thách thức chưa từng có. Các rào cản kinh tế và vật lý hội tụ đồng thời cho thấy rằng việc tiếp tục các phương pháp hiện tại có thể không bền vững. Cho dù thông qua các kỹ thuật sản xuất mới triệt để, kiến trúc máy tính thay thế, hoặc các mô hình kinh doanh hoàn toàn khác, con đường phía trước có thể sẽ đòi hỏi phải rời khỏi sáu thập kỷ thực hành đã được thiết lập. Câu hỏi không phải là liệu định luật Moore có kết thúc hay không, mà là điều gì sẽ thay thế nó.
Tham khảo: The Unsustainability of Moore's Law