Mūro dėsnis (Moore’s Law) [IG, II dalis]

Gordonas Mūras

1965 metais populiariame Electronics žurnale buvo išspausdintas straipsnis "Cramming more components onto integrated circuits". Jo autorius, tuometinis Fairchild kompanijos mokslinių tyrimų ir plėtros padalinio vadovas, Gordonas Mūras (Gordon Moore) buvo paprašytas Electronics žurnalo nuspėti, kaip plėtosis puslaidininkių komponentų pramonė per artimiausius dešimt metų. Publikuotame straipsnyje Mūras išanalizavo integrinių grandynų su mažiausia savikaina per elementą integracinio laipsnio augimą nuo 1959 iki 1964 metų ir padarė išvadas: artimiausią dešimtmetį integrinių grandynų elementų (tranzistorių, varžų, diodų ar kondensatorių) skaičius padvigubės kiekvienais metais. Vadinasi, 1975 metais integriniai grandynai su mažiausia savikaina per elementą turėjo turėti 65 000 elementų.

Keletas Mūro analizuotų lustų 1965 m., rašant publikaciją Electronics žurnalui

Po dešimtmečio, 1975 metais, jau kaip vienas iš Intel firmos įkūrėjų, Mūras peržvelgė savo prognozę, kuri pasirodė esanti pakankamai tiksli. Išanalizavęs naujus tuometinius duomenis ir įvertinęs perspektyvas jis patikslino savo prognozę IG ateinantiems dešimtmečiams (žr. pav. apačioje), kuri netrukus tapo žinoma kaip Mūro dėsnis (angl. Moore’s Law): Integrinių grandynų elementų skaičius padvigubėja kas dvejus metus.

Dešinėje: 1965 m. Mūro straipsnyje pavaizduota projekcija, numatanti artimiausio dešimtmečio integracinio laipsnio augimą;
Kairėje: 1975 m. Mūro peržiūrėta integracijos laipsnio projekcija, remiantis to meto paskutiniais duomenimis.

Dar kartą įvertinęs puslaidininkių pramonės padėtį ir perspektyvas 1995 metais, kai Intel Pentium procesorius turėjo 5,5 milijonus tranzistorių, Mūras padarė išvadas, jog jo paskutinė 1975 m. prognozė greitu laiku netaps relikvija integrinių grandynų fabrikacijoje.

Gordono Mūro įžvalgos į integrinių grandynų plėtrą tapo kaip vedlys ir iššūkis, technologinės plėtros paskatinimas puslaidininkių pramonei. Dar ir šiandien, po 50-ties metų, Intel kompanija stengiasi neatsilikti nuo Mūro dėsnio ir yra akivaizdi IG fabrikavimo lyderė (žr. pav. apačioje).

Mūro dėsnio kreivė ir tranzistorių skaičius mikroprocesoriuose nuo 1971 iki 2011 m.

Integracijos laipsnis

Kaip jau buvo užsiminta pirmoje dalyje, integrinių grandynų pažangumą galima matuoti jų integracijos laipsniu, ypač kai elementų tankis per vienetinį plotą vienodas. Didėjant IG elementų skaičiui luste, visos IG savybės pagerėja: mažėja el. įrangos tūris, masė, elementų suvartojamos energijos kiekis bei didėja lusto sparta ir patikimumas.

Lustų integracijos laipsnis randamas pagal formulę:

čia N – elementų skaičiaus luste, K – integracijos laipsnis, lygus artimiausiam sveikajam skaičiui.

Elementų skaičius IG ir integracijos laipsnis

Nuo ~	Elementų skaičius	Integracijos laipsnis	Angliškas žymėjimas
1958 m.	<100	Mažas	Small-scale integration (SSI)
1970 m.	>100	Vidutinis	Medium-scale integration (MSI)
1975 m.	>10 000	Didelis	Large-scale integration (LSI)
1980 m.	>100 000	Labai didelis	Very-large-scale integration (VLSI)
1990 m.	>1 000 000	Ypač didelis	Ultra-large-scale integration (ULSI)

Norint išlaikyti pusiausvyrą su Mūro dėsniu, reikia nuolatos didinti mikroelektronikos integracijos laipsnį. Vienas iš pagrindinių integracinio laipsnio didinimo uždavinių yra IG elementų (tranzistorių, diodų, varžų ir kondensatorių) matmenų mažinimas. Tikslas pasiekiamas tobulinant fotolitografijos techniką, taikant kitokias medžiagas ar visiškai naujas elementų konstrukcijas, kaip kad Intel firmos mikroprocesoriai, pereidami iš 32 nm į 22 nm fabrikavimo technologiją, turėjo pakeisti tranzistorių struktūrą iš įprasto plokštuminio į, vadinamąjį, trimatį tranzistorių. Stabilų integracijos laipsnio didėjimą puikiai iliustruoja pav. apačioje – tranzistorių skaičius per 43 metus padidėjo net 110 milijonų procentų. Skaičiai išties įspūdingi ir kalba patys už save.

Iš tiesų, didinant mikroprocesorių integracijos laipsnį mažėja ne tik jų IG elementų matmenys, bet ir didėja viso lusto matmenys (didėjimas yra sąlyginai nedidelis, apie 7% per metus), kadangi į vieną lustą prikamšoma daugiau elementų (bet ne į vienetinį plotą). Taip padeda išlaikyti Mūro dėsnio ribas (jis griežtai neapibrėžia lusto matmenų).

Mikroprocesorių integracinio laipsnio padidėjimo pokytis procentais per 43 metus

Metai iš metų pasirodo įvairūs straipsniai apie Mūro dėsnio eros pabaigą. Pats Gordonas Mūras, dėsnio autorius, 2003 m. atsargumo dėlei savo prognozę prailgino tik 10 metų laikotarpiui, o 2007 m. vėl atsargiai kalbėjo apie sekantį dešimtmetį. Pagrindinis argumentas yra naudojamos medžiagos kaip silicis, kuris galiausiai prieis savo savybių fundamentaliąsias fizikos ribas. Taip, fundamentalūs limitai egzistuoja, pvz., IG elementų mažinimas darosi vis sudėtingesnis dėl kvantinės mechanikos aprašomų reiškinių kaip elektrono tuneliavimo ir srovės nutekėjimo. Tačiau visos galimybės tikrai neišsemtos didinant IG integracijos laipsnį. Mokslininkai-inžinieriai aktyviai eksperimentuoja su naujomis medžiagomis kaip indžio arsenido, galio arsenidas, galio nitrido ir kitomis, kurios gali pakeisti silicį. Dar vienas konkurentas, į kurį dedama daug vilčių, yra grafenas. Kitas radikalus metodas – spintronika, kur informaciją talpintų elektrono sūkio savybė, o ne krūvis. Eksperimentuojama ir su fotonika, kur informacija IG viduje būtų perduodama ne elektronais, o šviesa-fotonais. Bei daug kitų tyrinėjamų ir plėtojamų technologijų.