2.4. Закон Мура

Анализ эмпирических тенденций первых 5 лет развития интегральной технологии позволил Гордону Муру (рис. 2.7) сформулировать в 1965 г. некоторую закономерность, впоследствии получившую название закона Мура.

Первоначальная формулировка закона звучала следующим образом: «Количество транзисторов на чипе (интегральной схеме) удваивается каждые 12 месяцев». Несмотря на некоторый произвол в формулировке и обосновании, закон Мура имеет определенную физическую основу. Его физическое содержание состоит в идее возможности размерного скейлинга – масштабного уменьшения геометрических размеров микроэлектронных компонентов c сохранением электрических и улучшением

функциональных характеристик отдельных приборов и всей схемы в целом.

Рис. 2.8. Зависимость степени интеграции от времени

Именно возможность геометрического скейлинга микроэлектронных структур явилась технологическим и экономическим основанием, обеспечившим победное шествие закона Мура на протяжении уже почти полувека (рис. 2.8).

Увеличение количества элементов на одном кристалле (чипе) (то же самое, повышение степени интеграции) достигается, главным образом, за счет уменьшения т.н. технологической нормы, и, в некоторой степени, за счет роста площади чипа. Площадь одного

42

чипа (кристалла), на котором может располагаться микропроцессор или схема памяти, имеет тенденцию к росту и в настоящее время составляет приблизительно 2 см2. В настоящее время (2008 г.) на одном чипе располагается порядка миллиарда транзисторов. Ожидается, что к 2016 г. количество транзисторов на одном чипе будет составлять ~ 10 млрд.

2.5. Технологическая (проектная) норма

Основным параметром технологии является минимальная технологическая (топологическая, проектная) норма (technology node, feature size). Говоря о проектной норме, обычно имеют в виду минимальный для данной технологии характеристический размер. Длина затвора МОП транзистора приблизительно в 1.5…2 раза меньше технологической нормы (рис. 2.9). Длина канала, как правило, оказывается еще меньше длины затвора.

Рис. 2.9. Технологическая норма и длина затвора для технологий разных поколений

Изменение технологической нормы идет по поколениям, с приблизительно одинаковым масштабным множителем L → L 2 ~

~0.7L. Соответствующий ряд параметров технологических норм исторически имеет следующий вид:

0.5 мкм..0.35..0.25..0.18..0.13 ..( 130 нм)..90..60..45..32 нм… Переход к следующему поколению соответствует приблизи-

тельно увеличению степени интеграции в 2 раза. Очевидно, что закон, декларирующий экспоненциальный рост количества транзисторов на одной интегральной схеме, не может быть справедливым в течение неограниченного времени. Ожидается (рис. 2.10), что ко-

43

нец «эры закона Мура», т.е. когда технологическая норма современной кремниевой технологии достигнет своего минимума ~ ~ 5…10 нм, определяемого возможностями литографии и фундаментальными физическими ограничениями, наступит не ранее

2020-2030 гг.

Рис. 2.10. Технологическая норма как функция времени

Все основные геометрические параметры технологии уменьшаются вместе с технологической нормой. Это касается длины, ширины канала транзистора, а также толщины подзатворного окисла

(рис. 2.11).

Рис. 2.11. Зависимость толщины подзатворного окисла от технологической нормы

44

Зависимость геометрического размера от нормы носит приблизительно пропорциональный характер. Например, многолетняя технологическая тенденция фирмы Intel состоит в том, что толщина подзатворного окисла составляет ~1/45 от технологической нормы. Эта традиция не может быть выдержана в дальнейшем, поскольку в современных транзисторах толщина подзатворного окисла уже составляет 3-5 постоянных решетки SiO2.

2.6. Тактовая частота

Важнейшей характеристикой микропроцессора является его быстродействие. Максимальное быстродействие интегральных схем определяется системной, т.н. тактовой частотой (clock). В последние 30 лет тактовая частота микропроцессоров увеличивалась в среднем приблизительно в 2 раза за 1 год (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Зависимость тактовой частоты от года выпуска

Тактовая частота определяется скоростью переключения отдельных цифровых элементов и, в конечном итоге, в очень сильной степени зависит от геометрического фактора и, следовательно, от технологической нормы (рис. 2.13).

До настоящего времени тактовая частота процессора приблизительно удваивается в каждом следующем поколении. При техноло-

гической норме ~ 10 нм тактовая частота ожидается на уровне

100 ГГц (1011 Гц).

45