Dr. Gordon Moore makaleyi yazdığında Fairchild'de Araştırma ve Geliştirme Direktörüydü: "Tümleşik Devrelere Daha Fazla Bileşen Eklemekdergisinin 19 Nisan 1965 tarihli sayısında yayımlandı. Elektronik. Bu yayının ardından Caltech'ten Dr. Carver Mead, Dr. Moore'un tahminlerinin “Moore Yasası” olduğunu açıkladı.

Çok az kişi Moore Yasasının özünü anlıyor veya Dr. Moore'un bu nispeten kısa makalede yaptığı sayısız teğetsel projeksiyonu biliyor; Bunlar arasında ev bilgisayarları, otomobiller için otomatik kontroller, kişisel taşınabilir iletişim ekipmanları ve o zamanlar bazı okuyuculara bilim kurgu gibi görünebilecek diğer birçok yenilik yer alıyordu.

Dr. Moore'un Entegre Devreler (IC'ler) konusundaki tahminleri arasında şunlar vardı: "1975 yılına gelindiğinde ekonomi, tek bir silikon çip üzerine 65,000 kadar bileşenin sıkıştırılmasını gerektirebilir.”  Projeksiyondan birkaç yıl daha uzun sürdü, ancak ilk 64Kb DRAM (Dinamik Rastgele Erişim Belleği), 1977'de 65,536 transistörle piyasaya sürüldü. “tek silikon çip.”  Bu, ticari olarak geçerli ilk DRAM'in 1970 yılında piyasaya sürülmesinden bu yana dikkate değer bir tahmindir; Dr. Moore'un makalesinin yayınlanmasından beş yıl sonra.

Moore Yasasının özü

Moore Yasasında yer alan ve neredeyse hepsi makul bir dereceye kadar ortaya konan çok sayıda projeksiyon olmasına rağmen, Moore Yasasının "özü" olan iki projeksiyon vardır. Biraz matematik yaparsak bu projeksiyonlara biraz renk katabiliriz. Aşağıda orijinal 1965 makalesinden iki alıntı ve tahminlerime ilişkin tahminlerim yer almaktadır.

• "Minimum bileşen maliyetlerine ilişkin karmaşıklık yılda kabaca iki kat arttı. Elbette kısa vadede bu oranın artmasa da devam etmesi beklenebilir. Uzun vadede artış oranı biraz daha belirsiz, ancak bunun en az 10 yıl boyunca neredeyse sabit kalmayacağına inanmak için hiçbir neden yok."  Bu, önümüzdeki on yıl içinde transistör (bileşen) yoğunluğunun yaklaşık 1,024 kat arttığını göreceğimizi gösteriyor.
• “1970 yılında parça başına üretim maliyetinin mevcut maliyetin yalnızca onda biri olması beklenebilir.” Bu, transistör (bileşen) yoğunluğunun her yıl iki katına çıkarken, bileşen başına maliyetin yılda yaklaşık %37 oranında azalacağını öngörüyor. Bunu anlamak önemlidir, bu yüzden biraz zaman ayırıp matematiğin üzerinden geçelim. Bileşen yoğunluğunun her iki katına çıkmasıyla birlikte daha yüksek üretim maliyetleri ortaya çıkıyor, ancak Dr. Moore bu yüksek maliyetlerin yoğunluğun yıllık iki katına çıkmasıyla fazlasıyla dengeleneceğini doğru bir şekilde tahmin ediyor. Sonuç, transistör (bileşen) başına %37'lik net bileşik maliyet azalmasıdır; bu, beş yılda %90'lık bir maliyet düşüşü ve on yılda %99'luk bir maliyet düşüşüyle ​​sonuçlanır.

1975'e kadar birçok açıdan Moore Yasası tahminlerine çok benzeyen bu on yıllık sürecin ardından Dr. Moore, transistör yoğunluğunun her yıl yerine her 18 ila 24 ayda bir ikiye katlanması yönünde beklentileri yeniden belirledi. Bu kayda değer ilerlemenin bir sonucu olarak, gelişmiş bir ülkede orta sınıf seviyesinde veya üzerinde yaşıyorsanız, bir "transistör trilyoneri" olma şansınız çok yüksektir; sahip olduğunuz tüm elektronik eşyalarla birlikte, bir trilyonun üzerinde transistöre sahip olursunuz. transistörler.

Ne Kadar Uzağa Geldik – Bir örnek olay çalışması

1976 yılında yarı iletken endüstrisine girdiğimde baskın DRAM cihazı 16Kb (16K x 1) idi. Mostek MK4116¹ (Intel'de 2116 vardı ama Mostek lider sağlayıcıydı). Güç tüketimi (aktif durum) yaklaşık 0.432 Watt (432 mW) idi. 1976'da kullanılan büyük paket boyutları nedeniyle, baskılı devre kartı (PCB) alanının inç karesine yalnızca yaklaşık 1.5 cihaz sığdırabiliyordunuz. Hatırlayabildiğim kadarıyla MK4116'nın üretim hacmi yaklaşık 10 dolara (1976 dolar) satılıyordu.

(1) 64Kb DRAM 1977'de piyasaya sürülürken, bit başına maliyeti 16 yılına kadar 1980Kb DRAM'den daha yüksek kaldı.

Bu verileri tahmin edersek, bugün tüketici bilgisayarlarında kullanılan tipik 16 GB (16 Gb x 8) belleğin, yalnızca bellek yongaları için yaklaşık 80 milyon dolara mal olacağını (400 dolarıyla 2021 milyon dolar), yaklaşık 37,000 metrekarelik bir PCB gerektirdiğini görebiliriz. boyutunda (Grand Central Station'daki 35,000 metrekarelik yolcu salonundan daha büyük) ve yaklaşık 3,500,000 Watt elektrik tüketecek. KWh başına 0.10 dolardan bu hafıza kartına güç sağlamak ayda 250,000 dolardan fazlaya mal olacak.²

(2) İşleri basitleştirmek için tüm hesaplamalar yalnızca 8,000,000 GB bellek sağlamak için gereken 4116 MK16 DRAM'e dayanmaktadır. Bunlara ek olarak çok sayıda ek pasif ve aktif bileşen de gerekli olacaktır. Bu bileşenler hiçbir hesaplamaya dahil edilmemiştir.

Bugün, bir dizüstü bilgisayar için 16 GB'lık bir DRAM modülünü bir perakende mağazasından yaklaşık 40 $'a (yaklaşık 8 1975 $) satın alabilirsiniz; bu da yaklaşık olarak işaret parmağınızın boyutundadır ve 3 Watt'tan daha az güç tüketir.  Bu, bir dizüstü bilgisayarın piliyle kolayca çalıştırılır, ancak KWh başına 0.10 ABD doları olduğundan, aylık maliyet 0.20 ABD dolarının biraz üzerinde olacaktır.

Açıkçası, pek çok açıdan bakıldığında (maliyet, termal, boyut ve güvenilirlik bunlardan birkaçıdır) 16'da 1976GB DRAM bellek kartı oluşturmak sadece pratik olmakla kalmayıp kelimenin tam anlamıyla imkansız olurdu. Elbette faydalı olmazdı. her neyse, 1976'da mevcut olan mikroişlemciler yalnızca 64KB belleği adresleyebiliyordu. Bununla birlikte, endüstriye katıldığımdan beri Moore Yasasının sağladığı ilerlemeleri gösteren bu örnek, endüstrinin ne kadar ilerlediğini gösteren bir örnek olay çalışmasıdır.

Enflasyona göre ayarlama yaparsak, verilerimiz bize Moore Yasasının öngördüğü ilerlemelerin maliyette %99.9999995'lik bir düşüşe (yani 30 yıl boyunca yıllık bileşik %45) ve güç tüketiminde %99.9999993'lük bir azalmaya yol açtığını söylüyor. Ve bu ilerlemeleri gereken alanda daha da büyük bir azalma ile birleştirdiğinizde, Moore Yasasının sadece mümkün kılmakla kalmayıp, çok daha önemlisi pratik ve uygun maliyetli olanı daha iyi anlayabilirsiniz.

Yarı iletken üretimindeki gelişmelerin DRAM biti başına maliyeti yaklaşık 10 milyon kat azalttığını tahmin etmek oldukça basit olsa da, işlemciler için iyileşmeyi tahmin etmek çok daha sıkıcıdır. Benden çok daha akıllı olan sektör ileri gelenleri, Moore Yasasının sağladığı bilgi işlem mimarisindeki ilerlemeler göz önüne alındığında, işlemci IC'lerinin ekonomik verimliliğinin, 4004'de 1971'ün piyasaya sürülmesinden bu yana bir milyardan fazla kat arttığını belirtmişlerdir. .

Bu gelişmeleri sayılarla görselleştirmek ve ölçmek zor olsa da, bugün ortalama bir akıllı telefonun bile, Apollo 11 misyonu 1969'da astronotları aya indirdiğinde tüm NASA'nın sahip olduğundan ÇOK daha fazla bilgi işlem gücüne sahip olduğunu kanıtlamak çok kolaydır. bir dahaki sefere Siri'ye, Alexa'ya veya Google'a bir soru sorduğunuzda...

Transistör Ekonomisi

Çeşitli iş modellerini tanımlamak için kullanabileceğiniz her türlü süslü kelime vardır, ancak ben işleri mümkün olduğunca basit tutmayı seviyorum. Herhangi bir iş modelinde maliyetleri "sabit" (sermaye) ve "değişken" (marjinal) arasında bölebilirsiniz. Model, değişken harcamalara ağır bir şekilde ağırlık veriyorsa, çok az ölçeklendirme (kaldıraç) olur ve kârlılık, hacimle oldukça doğrusal bir çizgide ilerler. Bununla birlikte, model sabit maliyetlere ağır bir şekilde ağırlık veriyorsa, model ölçeklenir (çoğunlukla önemli ölçüde) ve hacim arttıkça kârlılık da hızla artar.

Örneğin, eğer petrol için sondaj yapacaksanız, bir sondaj kulesi inşa etmeniz ve petrol sondajı için gereken tüm sermaye yatırımlarını yapmanız gerekir (sabit maliyetler), ancak bir kez inşa edildiğinde ve petrol akmaya başladığında maliyetler de artar. akışın (değişken maliyetler) çok düşük olmasını sağlamak. Bu iş modelinde yüksek sabit maliyetler, pompalanan petrol varilleri üzerinden amortismana tabi tutulur. Açık sonuç, ne kadar çok varil petrol üretilirse, varil başına toplam maliyet o kadar düşük olur (sabit maliyetler, daha fazla varil petrol üzerinden amortismana tabi tutulur).

Daha az belirgin olan sonuç, üretilen "bir sonraki" varilin "marjinal maliyetinin" çok düşük olduğudur. Marjinal (değişken) maliyet, bir birim (varil) daha üretmek için gereken toplam maliyet artışını temsil ettiğinden ve ilave sabit maliyet gerekmediğinden, yalnızca değişken maliyetler sayılır. Açıkçası bu veriler göz önüne alındığında, yüksek sabit ve düşük değişken maliyetlerle çalışan iş modellerinde hacim ÇOK önemlidir.

Yüksek sabit / düşük değişken maliyetli iş modelinin bu klasik örneği, klasik yarı iletken iş modelinde gördüklerimizle aşağı yukarı uyumludur. Öncü bir yarı iletken üretim hattı açmak muazzam miktarda paraya mal olur (bugün on milyarlarca dolar olarak ölçülür) ve öncü bir üretim süreci (5nm) için nispeten karmaşık bir entegre devre tasarlamak kolaylıkla yarım milyara mal olabilir. Bununla birlikte, üretim tesisi faaliyete geçtiğinde ve entegre devre üretime geçtiğinde, bir sonraki silikon levhayı üretmenin marjinal maliyeti, bu sabit maliyetlere göre küçüktür.

Yarı iletken endüstrisinin petrol endüstrisine göre çok büyük bir avantajı var; Nihai arzda (keşfedilen rezervler) sınırlamaların olduğu petrolden farklı olarak, nispeten ucuz silikonun (çoğu yarı iletken plakanın temel malzemesi) neredeyse sonsuz bir kaynağı vardır; bu, daha fazla talebi teşvik etmek için fiyatları sürekli olarak düşürmenin sağlam nedenleri olduğu anlamına gelir ve daha fazla hacim üretin.

Bu olgu verilerde gösterilmektedir. Bell Laboratuvarları 1947'de laboratuvarında tam olarak bir transistör üretti ve sınırlı uygulamalar için bir avuç transistörün üretilmesi bundan birkaç yıl sonra gerçekleşecekti. Sadece 2022 yıl sonra, 75'de, yarı iletken endüstrisi dünyadaki her erkek, kadın ve çocuk için kelimenin tam anlamıyla yüz milyarlarca, hatta trilyonlarca transistör üretecek ve bunları IC'ler şeklinde bir kuruşun çok küçük kesirlerine satacak.

Muhtemelen bu şaşırtıcı büyüme trendinin nasıl başlatıldığının arkasında bir dizi hikaye vardır, ancak benim favorilerimden biri George Gilder tarafından kitabında anlatılmıştı: küçük evren.

Hikaye George tarafından aktarıldığına göre, Fairchild Semiconductor askeri müşterilere tanesi 1211 dolara nispeten küçük miktarlarda bir transistör (parça numarası 150) satıyordu. Yaklaşık 100$'lık bir maliyetle Fairchild güzel bir kar elde etti. Ancak sıkı askeri spesifikasyonlar göz önüne alındığında, müşteri gereksinimlerini karşılamayan hurda parçalarla kaldı.

Bu transistörlere bir yuva bulmak için Jerry Sanders³Yakın zamanda Fairchild'in tüketici pazarlama grubunu yönetme görevine terfi ettirilen , reddedilen ürünler için 5 dolar ödemeye hazır bir alıcı bulmakla görevlendirildi. Bazı istekli alıcılar buldu, ancak 1963'te FCC tüm yeni televizyonların UHF alımını içermesini zorunlu kıldığında, yeni ve büyük bir pazar fırsatı açıldı.

(3) Jerry Sanders daha sonra Advanced Micro Devices'ı (AMD) kurmak için Fairchild'den ayrıldı.

Buradaki sorun, 5'in tüketici versiyonunun 1211 dolar bile olsa, RCA'nın TV üreticilerine yalnızca 1.05 dolara sunduğu Nuvistor adlı yenilikçi metal kasalı vakum tüpüyle rekabet edememesiydi. Sanders, 3.95 dolarlık fiyat farkını aşmak için elinden gelen her açıyı denedi; tüketici 1211, Nuvistor için bir soket kullanılmasına gerek kalmadan doğrudan PCB'ye lehimlenebiliyordu ve transistör açıkça daha güvenilirdi. Ancak anlaşmayı tamamlayamadı.

1963 yılında TV'lerin pazar potansiyelinin yılda yaklaşık 10 milyon adet olduğu göz önüne alındığında; Sanders, Mountain View'daki Fairchild genel merkezine gitti ve Los Altos tepelerindeki evinde Dr. Robert Noyce ile görüştü. İlk başta anlaşmayı tamamlamak için ihtiyaç duyduğu 1.05 dolarlık fiyatı istemekte tereddüt etti, ancak Sanders bu fırsatı açıkladıktan sonra Dr. Noyce bu talebi dikkate aldı ve kısa bir süre düşündükten sonra onayladı.

Sanders, Zenith'e geri döndü ve ilk tüketici 1211 siparişini 1.05 dolara aldı. Maliyetleri düşürmek için Fairchild, beklenen hacmi karşılayacak şekilde tasarlanan ilk yurt dışı tesisini Hong Kong'da açtı ve bununla bağlantılı olarak sipariş için ilk plastik ambalajını geliştirdi (TO-92). Bundan önce, 1211'lerin tümü, çoğu transistörün o zamanlar olduğu gibi, hava geçirmez şekilde kapatılmış (camdan metale mühürlü) metal bir kutuda (TO-5) paketlenmişti.

Fairchild üretime geçtikten sonra fiyatı 0.50 dolara düşürmeyi başardı ve iki yıl içinde (1965'te) UHF ayarlayıcılar için %90 pazar payı elde etti ve yeni plastik 1211 şirketin toplam kârının %10'unu oluşturdu. 1965 aynı zamanda Dr. Moore'un daha sonra "Moore Yasası" olarak kabul edilecek makaleyi yazdığı yıl oldu.

1211 transistöründen, hacmi artırmak için düşük marjinal maliyetlerden etkili bir şekilde nasıl yararlanılacağına dair ders, Dr. Moore'un makalesiyle yüzeyseldi. Bununla birlikte, bir IC'deki transistör başına maliyetin üretim teknolojisi ilerledikçe hızla düşeceğini doğru bir şekilde öngören Moore Yasası kehaneti ile birleştiğinde, yarı iletken iş modelinin kalıbı oluşturuldu ve sermaye sektöre serbestçe aktı.

İşlemcilerde Moore Yasasının Yürüyüşü:

1968'de, “Moore Yasası”nın yayınlanmasından üç yıl sonra, 1959'da düzlemsel Entegre Devreyi (IC) icat etmeleriyle tanınan Dr. Moore ve Dr. Noyce, Intel'i (INTC) kurmak için Fairchild'den ayrıldılar. Kısa süre sonra kimya mühendisliği geçmişiyle Intel'de üretim operasyonlarını yürüten Dr. Andy Grove da onlara katıldı. Dr. Noyce ve Dr. Moore'un ardından Dr. Grove, 1987 yılında Intel'in üçüncü CEO'su seçildi.

Intel, ana bilgisayar bilgisayarları için Statik Rastgele Erişim Belleği (SRAM) aygıtları üretmeye başladı (yarı iletken bellekler, Moore Yasası tahminlerinin bir parçasıydı), ancak saatler ve hesap makineleri için hızla IC'ler geliştirdi ve oradan genel amaçlı işlemcilere geçti. Sürekliliği optimize etmek amacıyla bu bölümde çoğunlukla Intel işlemcilerin gelişimine odaklanacağım.

Intel'in ilk işlemcisi olan 4 bit 4004, 1971'de piyasaya sürüldü. 10,000 nm fabrikasyon teknolojisi kullanılarak üretildi ve 2,250 mm'lik bir işlemcide 12 transistöre sahipti.² ölmek (Mm başına 187.5 transistör²). Intel bunu bir yıl sonra ilk 8 bit işlemcisi olan 8008 ile takip etti. 4004 ile aynı işlem teknolojisini kullanıyordu ancak daha iyi yer ve rota ile 3,500 mm'lik bir işlemcide 14 transistöre sahipti.² ölmek (Mm başına 250 transistör²).

Intel, bugün kişisel bilgisayar ve veri merkezi uygulamalarına hakim olmaya devam eden x16 mimarisini dünyaya tanıtan ilk 8086 bit işlemcisi olan 1978'yı 86'de piyasaya sürdü.

Bir yıl sonra Intel, 8088'nın hemen hemen aynısı olan 8086'i piyasaya sürdü, ancak harici bir 8 bitlik veri yolu kullandı, bu da onu ilk IBM PC'de kullanımını çok daha uygun maliyetli hale getirdi. Hem 8086 hem de 8088, 3,000 nm'lik bir işlem kullanılarak üretildi ve her ikisinde de 29,000 mm'de 33 transistör vardı.² ölmek (Mm başına 879 transistör²). Yaygın olarak bilinmeyen veya takdir edilmeyen şey, 8086 ve 8088'in PC pazarı dışında o kadar geniş bir tasarım tabanı geliştirmesi ki Intel'in 1998 yılına kadar her iki IC'yi de üretmesiydi.

Intel, 32 nm'lik bir işlem kullanılarak, 80386 transistör ve 1985 mm'lik bir transistörle üretilen 1,500 bit 275,000'yı 104 yılında piyasaya sürdü.² kalıp ölçüsü (Mm başına 2,644 transistör²), daha önce gelen her şeyi çok aştı. Bu, Wall Street'te Moore Yasası'nın öldüğüne dair bir tahmin okuduğumu ilk kez hatırladığım an. Birkaç yıl sonra Wall Street'in yarı iletken endüstrisi hakkındaki fikirlerinin neredeyse her zaman yanlış olduğunu fark ettim, ama bu başka bir zaman başka bir hikayeye giriyor...

Intel'in şu anki CEO'su Patrick (Pat) Gelsinger bu bağlantılı makalede şunları ele alıyor:  “Pat Gelsinger Bizi Hafıza Yolunda Bir Geziye ve İleriye Bakışa Götürüyor”.

Yıllar geçtikçe Moore Yasasının ritmi devam etti; Bazen diğerlerinden daha verimli çalışır, ancak uzun vadede bakıldığında tutarlıdır. Moore Yasasının ilerleyişini takip etmeyi biraz daha kolaylaştırmak için aşağıdaki tablo, 1,000'dan 14'e kadar 1989 nm'den 2015 nm'ye kadar çeşitli işlemlerle üretilen PC işlemcilerini göstermektedir. Intel için 14 nm'nin ötesindeki veriler için güvenilir bir kaynağım olmadığından , orada durdum.

Bu tablo ve üzerindeki veriler, Intel'in ilk işlemcisinden (2) Core i76,190 Broadwell'e kadar geçen 44 yıllık süre içinde transistör yoğunluğunu (mm4004 başına transistör sayısı) 7 gibi inanılmaz bir faktörle artırdığını göstermektedir.

Sunucu IC'lerini göz önüne aldığımızda (yukarıdaki tabloda yalnızca PC işlemcilerinin aksine), önemli ölçüde daha yüksek transistör sayılarının yanı sıra çok daha büyük kalıp boyutları da görebiliriz.

Intel, 2 nm sürecini kullanarak ilk 64 milyar transistörlü işlemcisi olan 2010 bit Dört çekirdekli Itanium Tukwilla'yı 65 yılında piyasaya sürdü. Büyük önbellek hafızasıyla kalıp boyutu 699 mm'ydi² (Mm başına 2.86 milyon transistör²).

Intel, 5 yılında özel amaçlı Xeon Phi ile 2012 milyar transistör sınırını aşmaya devam etti. Devasa bir 22 mm üzerinde 720 nm'lik bir işlem kullanılarak üretildi.² ölmek (Mm başına 6.9 milyon transistör²). Bu bir Intel işlemci için bulabildiğim en büyük kalıp boyutu.

Xeon Phi, 700 mm'den daha büyük bir kalıp boyutu kullandığını bulduğum üç monolitik işlemciden biri.². Diğer ikisi ise 20nm teknolojisiyle üretilen Fujitsu SPARC VII'dir.⁴ 2017'de devasa bir 795 mm kullanıldı² ölmek (Mm başına 6.9 milyon transistör²) ve AMD (AMD) Epyc, biraz daha küçük 14 mm kullanılarak 768 nm'lik bir işlemle üretildi² ancak daha küçük üretim süreciyle çok daha yüksek transistör yoğunluğuna sahipti (Mm başına 25 milyon transistör²). Oracle (ORCL) SPARC M7 muhtemelen Fujitsu SPARC VII'den daha büyüktü, ancak Oracle işlemci için kalıp boyutu verilerini bulamadım.

Intel'in üretim süreci düğümlerini daha ihtiyatlı bir şekilde belirtme konusunda uzun bir geçmişi var ve bu da 22nm'deki transistör yoğunluğunun Fujitsu'nun 20nm SPARC işlemcisi ile neden yaklaşık olarak aynı olduğunu açıklıyor.

Mikroişlemci kalıplarının posta pulu boyutuna yaklaştığı günler geride kalırken, imalat teknolojisindeki ilerlemeler giderek daha yüksek transistör yoğunluğunu mümkün kılmaya devam ediyor. Bugün bir işlemci için ölçebildiğim en yüksek yoğunluk, 1 mm'sinde 57 milyar transistör bulunan Apple (AAPL) M432-Max'tir.² ölmek (Mm başına 131.9 milyon transistör²) ve TSMC (TSM) 5nm teknolojisi kullanılarak üretilmiştir.

Apple M1-Max'in transistör yoğunluğu Intel'in ilk 700,000 işlemcisinden 4004 kat daha fazladır ve teknik açıdan bu bize Moore Yasası'nın transistör yoğunluğunun iki katına çıkacağı öngörüsünün hâlâ geçerli olduğunu gösterir; Her ne kadar eskisinden daha yavaş bir hızda olsa da. Bununla birlikte, transistör yoğunluğu artmaya devam ederken, üretim teknolojisindeki son gelişmeler sırasında anlaşılması önemli olan iki şey meydana geldi.

İlk olarak, bağlantılarım bana 50 yılı aşkın bir süredir Moore Yasasının ekonomik itici gücü olan transistör başına daha düşük ve daha düşük maliyet eğrisinin 10nm üretim düğümünden sonra düzleşmeye başladığını söyledi. Bu, yeni bir entegre devre tasarlamak ve üretime sokmak için hızla artan sabit maliyetleri telafi eden daha ucuz transistörlerin günlerinin, bitmediyse de en azından sayılı olduğu anlamına geliyor. Bu, eğer Moore Yasasının temel ekonomik itici gücü ölmemişse, yaşam desteğine bağlı olduğu anlamına gelir.

İkincisi, veriler bize işlemci üreticilerinin 2012 ile 2017 arasında tanıtılan devasa kalıp boyutlarından uzaklaştığını ve hatta AMD ve Intel gibi önde gelen işlemci üreticilerinin bile Chiplet stratejilerini benimsediğini söylüyor. Intel Ponte Vecchio'nun tasarımında çeşitli üretim teknolojilerinin kullanıldığı 47 Chiplet yer alıyor.

Intel: Meteor Lake Chiplet SoC Çalışıyor ve Çalışıyor

Intel Xeon Sapphire Rapids: Döşemelerle Monolitik Nasıl Gidilir? [Chiplets]

Intel Ponte Vecchio ve Xe HPC Mimarisi: Büyük Veri için Tasarlandı

AMD NEDEN CHIPLETLER VE NEDEN ŞİMDİ AÇIKLIYOR

Kral öldü, yaşasın kral!

Kusur Yoğunluğu (D₀) belirli bir imalat prosesi için, hedeflenen imalat prosesi için "öldürücü" kusurlar olarak sınıflandırılabilecek kadar büyük olan, silikon levha başına kusur sayısının levha alanına bölünmesiyle tanımlanır. Sorun şu ki, üretim süreci (imalat düğümü) boyutu küçüldükçe "öldürücü" kusur olarak belirlenen boyutun da küçülmesi.

Genel olarak öldürücü kusur, fabrikasyon düğümünün boyutunun %20'si kadar olan bir kusur olarak tanımlanır. Örneğin, 9 nm'den küçük bir kusur, 45 nm üretim düğümü için kabul edilebilir olabilir, ancak 2.8 nm'den büyük bir kusur, 14 nm üretim düğümü için "öldürücü" bir kusur olarak tanımlanacaktır. 5 nm üretim düğümü için yalnızca 1 nm'lik bir kusur öldürücü olabilir.

Bu, son teknoloji üretim proses teknolojisini kullanırken büyük monolitik IC'ler (kalıp alanında ölçüldüğü üzere) üretmenin giderek zorlaşmasının temel nedenlerinden biridir.⁵. Bunun kanıtını, en son teknolojinin 2012nm'den 2017nm'ye geçtiği 22'den 14'ye kadar uzanan altı yıllık süre boyunca işlemcilerin kalıp boyutlarının zirveye ulaştığını gösteren yukarıdaki verilerde görebiliriz.

Bellek cihazları, FPGA'ler, GPU'lar ve bazı özel Makine Öğrenimi (ML) IC'leri aynı verim zorluklarına tabidir. Bununla birlikte, bu IC'lerde kelimenin tam anlamıyla birbiriyle aynı olan milyarlarca aynı hücre (fonksiyon bloğu) bulacaksınız. Verimi optimize etmek için hâlâ çok büyük kalıp boyutları kullanan bu IC'ler genellikle maskelenebilen veya verim vermeyen hücrelerin yerini alacak şekilde programlanabilen yedek hücrelerle tasarlanıyor. Bu eğilimin devam edip etmeyeceği belli değil.

Kusur Yoğunluğunun ne zaman aşılamaz bir sorun haline geldiği konusunda çeşitli görüşler vardır. Ancak okuduklarıma göre 22nm'den 14nm'ye kadar olan pencerede denklemin içine girmiş gibi görünüyor ve 14nm'nin altındaki veriler bunun önemli hale geldiğini ve bunun ötesine bakıldığında sorunun daha da kötüleşeceğini gösteriyor.

Büyük kalıp boyutundaki bir IC'nin, sınırları içinde bir kusura sahip olma ihtimalinin küçük kalıp boyutuna göre daha yüksek olduğu gerçeği göz önüne alındığında; kalıp boyutu ile verim arasında ters bir korelasyon vardır ve üretim teknolojisi giderek daha küçük düğümlere doğru ilerledikçe bu eğilim daha da sinir bozucu hale gelecektir.

Bu sorun TSMC tarafından 2'nin 2020. çeyreğinde yeni 5nm üretim düğümü için test yongaları çalıştırılırken vurgulandı. Bu testlerin ardından TSMC, 18 mm'lik bir boru için ortalama verimini açıkladı.² kalıp ~%80'di, ancak bu verim 32 mm'lik bir kalıp için önemli ölçüde yalnızca %100'ye düştü² ölmek. Moore Yasasının hüküm sürdüğü süre boyunca olduğu gibi, TSM bu ilk testlerden bu yana verimini artırdı, ancak buna rağmen eminim ki 5nm'deki verim, daha büyük üretim düğümlerindeki verimden daha az olumlu olmaya devam ediyor ve trend devam ediyor. ilerisi belli; Büyük monolitik kalıpların dönemi geçti.

TSMC'nin 5nm sürecine ilişkin ilk verileri yayınlamasından birkaç yıl önce, AMD CEO'su Dr. Lisa Su, 2017 IEEE Uluslararası Elektron Cihazları'nda Kusur Yoğunluğu sorununu çok basit bir grafikle sundu. Toplantı (IDEM). Bu grafik, elde edilen mm başına maliyetteki artışı gösterir² 250 mm için² AMD 45nm'den daha küçük fabrikasyon düğümlerine doğru ilerlerken kalıp boyutu da arttı. Abartısız sonuç, artan kalıp boyutlarının ekonomik olarak sorunlu hale gelmesi ve 14/16 nm'nin altına indiğinizde elde edilen maliyetin önemli ölçüde artmasıdır.

Kusur Yoğunluğu yeni bir sorun değildir; kelimenin tam anlamıyla ilk günden beri mevcuttur. Bununla birlikte, alınan dersler onu her zaman mevcut fabrikasyon düğümünün ötesine itmiştir ve mevcut düğümdeki verim sorunlarını çözme yeteneği, 50 yıldan fazla bir süredir Moore Yasasını yönlendiren şeydir. Öncü üretim düğümlerinde Kusur Yoğunluğunun etkisini azaltmaya yönelik çabaların devam ettiğinden emin olabilirsiniz ancak Chiplet eğiliminin yalnızca kalıcı olmadığını, aynı zamanda hızla genişlemeye ve yenilerini etkinleştirmeye hazır olduğunu gösteren beş neden var. pazar fırsatları.

(1) Montaj maliyetlerini azaltmak ve performansı optimize etmek için Chiplet'lere çok önemli yatırımlar yapılmıştır. Bir tasarımı tek çipli monolitik bir silikon parçasından uzaklaştırdığınızda doğal olarak maliyet ve performans cezaları mevcut olsa da, Chiplet teknolojisinden tam anlamıyla yararlanıldığı için performans cezaları en aza indirilecek ve maliyet cezaları fazlasıyla telafi edilecek gibi görünüyor.

(2) Evrensel Chiplet Interconnect Express (UCIe) konsorsiyumu açık bir Chiplet ekosistemi oluşturmak için ölümden ölüme bir ara bağlantı standardı belirledi. Konsorsiyumun kurucu üyeleri arasında şunlar yer alıyor:  ASE, AMD'nin, Kol, Google Bulut, Intel, Meta, Microsoft, Qualcomm, Samsung, ve TSMC. UCIe, bilgi işlem arayüzlerini standartlaştıran PCIe spesifikasyonuna benzer. Bununla birlikte UCIe, PCIe'ye kıyasla 100 kata kadar daha fazla bant genişliği, 10 kat daha düşük gecikme süresi ve 10 kat daha iyi güç verimliliği sunar. Bu standart uygulandığında, pazara çok sayıda yeni Chiplet'in geleceğini göreceğimize inanıyorum.

(3) Yayınlanmasıyla birlikte 2017'de Ortak Heterojen Entegrasyon ve Fikri Mülkiyet Yeniden Kullanım Stratejileri (CHIPS) programıSavunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı (DARPA), Chiplet eğrisinin ilerisindeydi. CHIPS'in hedefi, üçüncü taraf Chiplet'lerden oluşan geniş bir katalog geliştirmektir. ticari DARPA'nın öngördüğü askeri ve askeri uygulamalar, yeni tasarımlar için maliyette ve geri dönüş süresinde %70'lik bir azalmaya yol açacaktır. DARPA CİPSLERİ Program, heterojen imalat düğümlerini birleştirmenin faydalarından yararlanmanın ötesine geçerek, bir Chiplet tasarımına heterojen malzemeleri de dahil etmeyi de kapsıyor.

(4) Moore Yasasının büyüsü, transistör başına üretim maliyetinin, üretim teknolojisi ilerledikçe artan sabit maliyetlerden çok daha fazla düşeceğiydi. Bunu ölçecek veri bulamıyorum, ancak azalan üretim maliyeti eğrisinin 10 nm civarında düzleştiği ve olumsuz bir yöne doğru gittiği konusunda geniş bir fikir birliği bulabilirim. Gelişmiş üretim maliyetleri arttığından, Chiplet stratejisi IC mimarlarının Chiplet tasarımlarının yalnızca kesinlikle mümkün olan en yüksek performansa ihtiyaç duyan bölümleri için öncü (pahalı) üretim düğümlerini hedeflemesine ve Chiplet tasarımlarının diğer bölümlerini optimize edilmiş üretim süreçlerine hedeflemesine olanak tanır. düşük güç ve/veya düşük maliyet.

(5) Chiplet tasarımları pazara çıkış süresini hızlandırabilir, sabit maliyetleri düşürebilir, belirli bir tasarım için toplam üretim maliyetlerini düşürebilir ve zaman içinde genişletilebilen ve/veya değiştirilebilen mimarilerden yararlanabilir. Başka bir deyişle Chiplet tasarımları, monolitik tasarımlarda ekonomik açıdan uygun olmayan benzersiz esneklikler sağlar. Yeni UCIe uyumlu Chiplet'lerin tanıtıldığını gördükçe bu eğilim daha belirgin hale gelecek ve hızlanacak.

Üreticiler yalnızca kalıp boyutuyla doğrudan ilişkili olan Kusur Yoğunluğu verim sorunuyla karşı karşıya kalmıyor, aşağıdaki grafikten görebileceğiniz gibiYeni bir karmaşık monolitik entegre devrenin tasarlanması ve üretime geçirilmesiyle ilgili sabit maliyetler, üretim teknolojisindeki ilerlemelerle birlikte hızla arttı. Başka bir deyişle, veriler bir dönüm noktasına ulaştığımızı ve cevabın Chiplet olduğunu gösteriyor; yalnızca verim ve yüksek maliyetlerle ilgili zorluklarla mücadele etmekle kalmıyor, aynı zamanda yarı iletken endüstrisinin yeni pazar fırsatları açmasını da sağlıyor.

Bu makaledeki odak noktam işlemci IC'leri (süreklilik adına çoğunlukla Intel işlemciler) olsa da, artan sabit maliyetler ve verim ile kalıp boyutu arasındaki ters korelasyon, Çip Üzerinde Sistem (SoC) tasarımlarını da etkiliyor. Zaten bunun kanıtı var MediaTek, TSMC ile 3 nm'de Chiplet tasarımına geçecek akıllı telefon Uygulama İşlemcisi (AP) için ve tahminimce Qualcomm'un henüz kamuya açıklamadığı bir Chiplet tasarımı var.

UCIe standardizasyonu ve DARPA CHIPS programı ile akıllı telefon AP'lerinin ötesinde çok çeşitli pazarları hedefleyen SoC üreticileri, maliyetleri düşürmek, geliştirme döngülerini kısaltmak ve esnekliği artırmak için Chiplet tasarımlarını benimseyecek. Bu, destek çipi üreticileri ve çok çeşitli fikri mülkiyet şirketleri için yeni fırsatlar yaratacaktır.

IP şirketlerinin, IP'lerini bilinen iyi kalıba (KGD) dönüştürmek için yeni UCIe spesifikasyonundan yararlanarak geleneksel pazar yaklaşımlarını genişlettiklerini ve IP'lerini bir donanım Chiplet'i olarak etkili bir şekilde doğrudan yarı iletken üreticilerine ve IC üretim şirketlerine satmalarını göreceğimize inanıyorum. kendi Uygulamaya Özel Chiplet'lerini geliştiren OEM müşterilerinin yanı sıra.

Chiplet'lerin mümkün kılacağını düşündüğüm en ilginç şeylerden biri, monolitik bir IC tasarımına birkaç yüz milyon dolarlık bir yatırımı yönlendiremeyecek kadar hacimli olmayan veya çok parçalı olan yeni pazarlar için SoC'ler olacaktır. Bunlar arasında, değişen algoritmalara hızlı bir şekilde uyum sağlayabilen ve pazar erişimini ve SoC yaşam döngüsünü genişletmek için gereken tasarım esnekliğini sağlayan hızlandırıcılar için kullanılabilecek FPGA teknolojisinin yer aldığı çok çeşitli IoT, AI ve Makine Öğrenimi (ML) fırsatları yer alıyor.

Chiplet'ler ayrıca ölçeklenebilir işlemci çözümleri ve diğer müşteriye özel seçenekler (daha fazla işlemci çekirdeği ekleme, hızlandırıcı ekleme, daha fazla bellek ekleme, hatta RF bölümünü yeni bir standart için değiştirme / güncelleme vb.) sağlayarak yeni ve mevcut pazarlar için SoC çözümlerini etkinleştirebilir. . Monolitik entegre devre tasarımlarında bu tür değişiklikler ve esneklikler neredeyse imkansızdı.

Bottom Line: Değişken maliyetlerin azalmasının (transistör başına daha düşük üretim maliyetleri) yüksek sabit maliyetleri ve Kusur Yoğunluğunun artan komplikasyonlarını keskin bir şekilde dengeleme avantajı olmadan, bildiğimiz şekliyle Moore Yasası sona erdi. Bununla birlikte, geçmişte olduğu gibi, yarı iletken ekosistemi uyum sağlıyor ve Chiplet teknolojisi ilgi kazandıkça, büyük olasılıkla inovasyonun hızlandığı ve ilerledikçe yeni pazar fırsatlarının açıldığı bir dönem göreceğiz.

Buradaki önemli nokta (eğer devrilme noktası ise) Chiplets'in yaratıcılık için yeni kapılar açması ve yaşama ve çalışma şeklimizde teknolojinin sürekli genişlemesidir. Ultra yüksek sabit maliyetler ve acı verici derecede uzun teslim süreleri nedeniyle engellenen monolitik entegre devre tasarımları için artık yalnızca neyin mantıklı olduğunu düşünmemize gerek kalmadığı bir noktaya ulaştık; artık tasarımları kullanım durumunun gerektirdiği nihai maliyet ve performansa göre optimize etmek için yeni açık standartlardan yararlanan heterojen Chiplet'lere odaklanabiliriz.

Bu yeni faydaları UCIe ve DARPA CHIPS programının standartlaştırılmasıyla birleştirdiğinizde, yeni pazarlar açma ve henüz kokteyl peçetesinin arkasını bile görmemiş yeni kullanım senaryoları açma konusunda büyük bir potansiyel ortaya çıkıyor.

Ayrıca Oku:

UCIe Spesifikasyonu Chipletlerle Çoklu Kalıp Sistemi Tasarımını Kolaylaştırıyor

Ansys'in 1. Kademe EDA Oyuncusu Olarak Ortaya Çıkışı— ve Bunun 3D-IC için Ne Anlama Geldiği

3D IC Paketleme Başarısı İçin Beş Temel İş Akışı

Bu gönderiyi şu yolla paylaş: