Podzespoły

Produkcja tranzystorów 50 lat od ustanowienia prawa Moore'a

opublikowano przez Paweł Maziarz w dniu 2015-04-07

Tempro wzrostu produkcji tranzystorów jest wręcz niewyobrażalne - jest ich więcej niż nawet gwiazd w Drodze Mlecznej.

Tranzystor - replika Bell Labs
Replika tranzystora stworzonego w laboratoriach Bell Telephone Laboratories w 1947 roku

W tym roku obchodzimy 50-lecie ustanowienia prawa Moore'a, które początkowo zakładało podwajanie liczby tranzystorów w mikroprocesorach co około 18 miesięcy, ale nieco później okres ten skorygowano do około 24 miesięcy. Trochę już minęło od zaobserwowania tej zależności, ale jak się okazuje, nadal jest ona aktualna.

Tempo wzrostu produkcji tranzystorów jest wręcz niewyobrażalne, bo w całym ubiegłym roku powstało ich około 250 trylionów (2,5 x 1020). W tym będzie ono jeszcze większe, bo co sekundę średnio powstaje ich około 8 bilionów (8 x 1012) – mniej więcej 25 razy więcej niż samych gwiazd w Drodze Mlecznej lub 75 razy więcej niż liczba znanych nam galaktyk we wszechświecie. Z kolei w samym 2014 roku powstało więcej tranzystorów, aniżeli przez cały okres od ustanowienia prawa Moore'a (1965 rok) do 2011 roku.

Warto jednak zauważyć, że ogromna większość tranzystorów nie jest produkowana pojedynczo, a po prostu jako układy scalone, składające się z milionów lub nawet miliardów tranzystorów – przykładowo, procesor graficzny Nvidia Maxwell GM200 z najnowszej karty graficznej GeForce GTX Titan X składa się aż z 8,1 mld tranzystorów. Rekordzistą jest jednak układ Xilinx Virtex-Ultrascale XCVU440, który wykorzystuje aż 20 mld tranzystorów (!).

Nvidia Maxwell procesor graficzny
W jednym procesorze graficznym Nvidia Maxwell GM200 znajduje się więcej tranzystorów niż produkowano ich w ciągu roku w latach 50-tych

Wraz ze wzrostem liczby tranzystorów, zmniejszają się też ich wymiary – w procesorze Intel 4004 z 1971 roku miały one 10 µm długości, natomiast teraz proces technologiczny pozwala na produkcję tranzystorów o długości 14 nm. Gdyby nie zmniejszanie tranzystorów, obecne procesory byłyby wręcz gigantyczne (teoretycznie, bo z uwagi na tak duże rozmiary nie mogłyby działać).

Wykres przedstawiający cenę tranzystora (czarna linia) i ich roczną produkcję (czerwona linia)
Wykres przedstawiający cenę tranzystorów (czarna linia) i ich roczną produkcję (czerwona linia)

Wraz ze wzrostem liczby i upakowania tranzystorów, a także zmniejszeniem ich rozmiarów, koszty produkcją są coraz niższe - dobrze to przedstawia powyższy wykres.

No dobrze, a jak przedstawiają się perspektywy na przyszłość? Na TSMC Technology Symposium dowiedzieliśmy się, że koncern TSMC powoli przygotowuje się do rozpoczęcia produkcji układów scalonych w 10-nanometrowym procesie technologicznym, ale pierwsze konstrukcje będą dostępne dopiero w 2017 roku. Później przyjdzie pora na litografię z rozmiarze 7 nm. Jednocześnie zapowiedział, że w najbliższym czasie prawo Moore'a nie zwolni - nadal więc możemy spodziewać się podwajania liczby tranzystorów co 24 miesiące.

Źródło: Spectrum IEEE, Guru3D, Wikipedia

marketplace
avatar
Dodaj
  • avatar
    Grafen:0
  • avatar
    Mnie najbardziej zastanawia co wymyślą jak dojdą do najmniejszego możliwego procesu technologicznego i nie będzie już po nim żadnych skoków wydajnościowych. Na pewno nie będą mogli sobie pozwolić na zwiększenie rozmiaru procesora bo dzisiejsze, topowe jednostki GPU już dochodzą do niebotycznych rozmiarów więc pozostaje im tylko nowa technologia.
    Zaloguj się
  • avatar
    Intel na IEDM 2013 zapowiedział, że poniżej 10nm będzie robił swoje układy na bazie tranzystorów TFET.
    http://techon.nikkeibp.co.jp/english/NEWS_EN/20131219/323700/

    także zapoznajcie się z tym:
    https://nanohub.org/resources/18351/download/NikonovBeyondCMOS_4_TFET.pdf

    Intel opracował własny układ tranzystora R-TFET (resonant-TFET), który to najlepiej sprawdza się przy barierach z połączenia dwóch stopów pierwiastków GaSb i InAs.

    http://static.frazpc.pl/board/2015/02/7e4fe6fee524d52b.jpg

    To jest najlepsza testowana domieszka o największej barierze (zobacz porównanie w pdf-ie str. 31) co pozwala przy litografii 9nm uzyskać przełączanie się tranzystora już przy SS 25mV/dec. To jest bardzo dużo poniżej obecnych SiGe MOSFET z SS 63mV/dec. Jednak jak widać na slajdzie ze str. 14 Uniwersytet Kalifornijski w Berkley stworzył tranzystor na bazie krzemu (Si), który przełącza się przy 46mV/dec (poniżej mosfetowego 60mV/dec) w układzie materiałów NiSi i Si.

    Jak widać intel nie musi używać pierwiastków z grupy III-V i jeszcze pojechać na krzemie. Nie da to takiej wydajności jak nowe materiały, ale może okazać się tańsze w produkcji, co chipzilla oczywiście może chcieć wykorzystać.;)

    Sama architektura tranzystorów TFET pozwala zejść aż do VDD=0.27V. To jest ogromnym postępem względem dzisiejszych MOSFETów gdzie przy 22nm mamy Vdd=0,8V
    Zaloguj się
  • avatar
    A do czego jest wykorzystywany ten układ z 20 miliardami tranzystorów Xilinx Virtex-Ultrascale XCVU440?
    Zaloguj się
  • avatar
    Grafen to chyba coś około 0.3nm o ile się nie mylę.
  • avatar
    Gdyby nie zmniejszanie tranzystorów, obecne procesory byłyby wręcz gigantyczne (teoretycznie, bo z uwagi na tak duże rozmiary nie mogłyby działać).

    dlaczego miałyby nie działać? jedynie częstotliwość taktowania musiała by być dużo niższa
    Zaloguj się
  • avatar
    wielka szkoda że każdy mówi o litografii 20nm, 18, 16 nm a teraz 10nm (po drodze pewnie będzie jeszcze 14 i 12nm.
    jednak to jest jedynie szerokość ustawionej pionowo bramki. nikt jednak nie pisze o wymiarach całego tranzystora, a on ma w sumie 3 obszary, bramka jest tylko jednym z nich. pozostałe obszary są znacznie większe, a to one decydują jak gęsto da się upchać tranzystory. tutaj przoduje intel. nie jestem zadowolony z tego faktu, bo intel niestety pożera nam konkurencję czyli amd. brak konkurencji oznacza drożyznę i zastój technologiczny.
  • avatar
    Ale to jeszcze hoho...
  • avatar
    Tylko czemu te ceny takie wysokie :)
  • avatar
    Pawle, gwiazd w Drodze Mlecznej jest tylko kilkaset miliardów (zatem liczba rzędu 10^10), więc jeśli nie ma pomyłki z tymi trylionami tranzystorów rocznie, to robi się ich setki milionów razy więcej, niż mamy u siebie gwiazd.
    Zaloguj się
  • avatar
    Wydaje mi się, że liczby w notacji wykładniczej zapisuje się trochę inaczej.