50 лет закону Мура: история, записанная в кремнии

В 1965 году молодой руководитель отдела исследований и разработки небольшой компании Fairchild Semiconductor написал для внутреннего использования короткую служебную записку "Будущее интегрированной электроники", в которой оценил перспективы развития полупроводниковых приборов на ближайшие 10 лет. По его оценкам, количество компонентов в одной микросхеме должно было удваиваться каждые 12 месяцев и к 1975 году достичь 65 тысяч. 19 апреля 1965 года эта записка (в отредактированном виде) была опубликована в журнале Electronics под названием "Размещая больше элементов в интегральных микросхемах". Именно эта дата - 19 апреля - считается днём рождения одного из самых универсальных эмпирических законов всей электронной индустрии, известного как закон Мура.

Немного предыстории

Почему же "закон Мура" был воспринят так серьёзно? Дело в том, что к тому моменту Гордон Мур успел стать одним из самых заметных имён в полупроводниковой индустрии.

Химик по образованию, Мур в 1954 году защитил диссертацию в знаменитом "Калтехе" (Калифорнийском институте технологий), а в 1956 году вошёл в число восьми молодых учёных, отобранных изобретателем транзистора и нобелевским лауреатом Уильямом Шокли для работы над новыми технологиями в области полупроводниковых приборов.

Уильям Шокли, изобретатель транзистора
и нобелевский лауреат

Увы, из этого начинания ничего не вышло. Шокли был хорошим учёным, но плохим менеджером, а его тяжёлый подозрительный характер вкупе с авторитарной манерой управления создали в команде невыносимую обстановку. В какой-то момент он даже попытался заставить всех сотрудников пройти тест на детекторе лжи, чтобы убедиться в том, что они его не обманывают. Последней каплей стал тот факт, что вместо обещанной работы над новыми видами полупроводников Шокли заставил сотрудников своей лаборатории заниматься усовершенствованием и подготовкой к серийному производству так называемых "диодов Шокли", на которые существовал потенциальный спрос со стороны оборонного ведомства США. В результате в 1957 году все восемь молодых учёных (получивших прозвище "вероломной восьмёрки") покинули лабораторию Шокли и стали сооснователями компании Fairchild Semiconductor, названной по имени основного инвестора Шермана Фэйрчалда.

Слева направо: Гордон Мур, Шелдон Робертс, Юджин Клейнер, Роберт Нойс,
Виктор Гринич, Джулиус Бланк, Жан Эрни, Джей Ласт

Впрочем, нельзя сказать, что всё было зря: во время работы у Шокли Гордон Мур и его коллеги получили практический опыт работы с важнейшими экспериментальными технологиями производства полупроводников - мокрым окислением по Фрошу и фотолитографией. Это позволило Fairchild Semiconductor быстро стать главной компанией только набирающей обороты полупроводниковой индустрии. В 1958 году на рынок вышел разработанный Муром 2N696 - первый массовый кремниевый транзистор, ставший популярным за счёт более высокой рабочей температуры и частоты переключения, чем у германиевых аналогов. В отличие от конкурентов, производивших транзисторы индивидуально, 2N696 производился целыми пластинами, которые разрезались на части непосредственно перед упаковкой. Это позволило заметно увеличить объёмы производства и снизить себестоимость, однако технология была достаточно рискованной, поскольку любая ошибка приводила к отбраковке целой партии. На практике хорошая отладка производственных процессов позволила Fairchild Semiconductor стать абсолютным лидером рынка транзисторов.

Разработанный Гордоном Муром транзистор 2N696

В 1959 году Жан Эрни при помощи Чи-Тан Са (оба также проходили стажировку у Шокли) разработал основы планарной технологии. Первый планарный транзистор пошёл в серию весной 1960 года под названием 2N1613. Он значительно превосходил 2N696 по скорости, имел на три порядка меньшие токи утечки, а планарная технология производства позволила эффективно уменьшить количество посторонних примесей, что в свою очередь привело к повышению надёжности. К слову, планарный процесс до сих пор остаётся наиболее широко применяемым способом производства транзисторов в мире и единственным способом производства интегральных микросхем. Это связано с тем, что он, в отличие от предшествовавшей ему меза-технологии, позволяет формировать не только транзисторы и диоды, но и другие элементы (в т. ч. резисторы и конденсаторы).

В 1959 году Мартин Аттала из Bell Labs предложил выращивать затворы полевых транзисторов из двуокиси кремния. Его работы не нашли коммерческого применения в Bell Labs, зато предложенная им МОП-технология (металл-окисел-полупроводник) получила развитие в стенах Fairchild Semiconductor. В 1963 году Чи-Тан Са и Фрэнк Вонласс изобрели технологию КМОП (комплементарная структура металл-окисел-полупроводник), которая позволила получать на одной подложке как n-канальные, так и p-канальные транзисторы. Сегодня примерно 99% всех логических микросхем, в том числе микропроцессоров, используют схемотехнику КМОП.

От Fairchild к Intel

Покинув Fairchild Semiconductor, Гордон Мур и Роберт Нойс основали компанию, которой суждено было совершить настоящую революцию и стать крупнейшей полупроводниковой компании в истории

К сожалению, в начале шестидесятых в Fairchild Semiconductor начались внутрикорпоративные конфликты, которые привели к проблемам с управлением и потере ключевых сотрудников. К 1967 году компания утратила лидерство, уступив первое место на рынке своему самому заклятому сопернику - Texas Instruments.

Компанию хотели назвать Moore Noyce, но потом от этой идеи отказались, поскольку по-английски это название на слух практически неотличимо от more noise ("больше шума").

В том же году Мур и его коллега по "вероломной восьмёрке" Роберт Нойс (известный как один из изобретателей интегральной микросхемы) приняли решение покинуть Fairchild Semiconductor и основать собственную компанию. Изначально её хотели назвать Moore Noyce, но потом от этой идеи отказались, поскольку по-английски это название на слух практически неотличимо от more noise ("больше шума"). В итоге компанию назвали сначала NM Electronics, а в 1968 году переименовали в Intel (сокращение от INTegrated ELectronics). Интересный факт: слово Intel на тот момент было зарегистрированной торговой маркой сети гостиниц Intelco, так что Муру и Нойсу пришлось выкупать права на использование данного названия.

Федерико Фаджин, разработчик первого в мире микропроцессора

Первой продукцией Intel были микросхемы памяти (как ОЗУ, так и ПЗУ), а также различного рода логические элементы (вроде логических инверторов). В 1970 году к Intel присоединился Федерико Фаджин, который ранее также работал в Fairchild Semiconductor и изобрёл самосовмещённую технологию производства чипов (при этом затвор используется не только как конструктивный элемент, но и как маска при получении сток-истоковых областей транзистора, что позволяет ускорить производство, улучшить характеристики микросхемы и понизить процент производственного брака). Под его руководством в 1971 был выпущен первый в мире микропроцессор, получивший название Intel 4004.

Intel 4004 — первый в мире микропроцессор

Intel 4004 стал первым процессором, все функции которого были интегрированы в одном чипе. Вместе с набором микросхем MCS-4, включавшим также ОЗУ, ПЗУ и сдвиговый регистр, он мог использоваться для создания универсальных микрокомпьютеров. Первым коммерческим применением Intel 4004 и MCS-4 стал программируемый калькулятор 141-PF японской компании Busicom (по заказу которой микропроцессор и разрабатывался).

По сегодняшним меркам Intel 4004 способен вызвать разве что улыбку. Он состоял из 2300 транзисторов и работал на максимальной тактовой частоте 740 кГц. Из-за необходимости "уложиться" в минимально возможное количество ножек процессора (16), одна и та же 4-битная шина использовалась для обмена 12-битными адресами, 8-битными инструкциями и 4-битными словами данных. Хотя Intel 4004 считается 4-битным микропроцессором, его набор команд состоял из 8- и 16-битных инструкций.

Процессор Intel 8080 стал основой первых
успешных микрокомпьютеров

В 1970 году Intel заключила с компанией CTC контракт на разработку процессора для терминального клиента Datapoint 2200. Однако к тому моменту, когда разработка была завершена, CTC успела пересмотреть свои планы, так что процессор (известный под кодовым названием "проект 1201") уже не отвечал их требованиям к производительности. Вместо оплаты контракта CTC приняла решение передать Intel все права на новый микропроцессор, который вышел на рынок в 1972 году под названием Intel 8008. В отличие от i4004, i8008 имел ширину шины данных 8 бит, что потребовало увеличения количества ножек с 16 до 18. Однако одна шина по-прежнему использовалась для обмена как данными, так и инструкциями, что заметно ограничивало производительность процессора. Эта проблема была решена только в процессоре Intel 8080, который вышел на рынок в 1974 году и сразу же стал хитом. В частности, именно на его основе был построен первый коммерчески успешный микрокомпьютер MITS Altair 8800, а разработанная для Altair операционная система CP/M была в 1970-е годы таким же индустриальным стандартом, каким в 1980-е стала MS-DOS. Intel 8080 считается прямым предшественником процессора 8086, положившего начало знаменитому семейству x86.

Интересный факт: несмотря на то, что Intel 4004, 8008 и 8080 были ключевыми вехами для микроэлектронной индустрии, они не были успешными продуктами с точки зрения продаж и выручки. После завершения работы над процессором 8086 компания Intel начала беспрецедентную (на тот момент) кампанию по продвижению своих микропроцессоров. Главным результатом этой кампании стал тот факт, что IBM выбрала 8088 (удешевлённую версию 8086 с 8-битной шиной данных) в качестве центрального процессора для компьютера IBM 5150, более известного как IBM PC. Поскольку внутренние правила IBM не позволяли покупать компоненты, доступные только у одного поставщика, Intel была вынуждена лицензировать 8088 другим производителям, в частности, AMD. Ситуация повторилась позже с процессором 80286.

Кристалл процессора Intel 8088,
который был сердцем IBM PC и IBM PC/XT

В 1985 году Intel представила первый 32-битный микропроцессор семейства x86 - 80386. На этот раз компания приняла решение не лицензировать его конкурентам. Вместо этого Intel начала производство 80386 на трёх разных фабриках: в Аризоне, Орегоне и Калифорнии. Энди Гроуву удалось убедить заказчиков, что этого будет достаточно для обеспечения бесперебойных поставок процессора. Огромный успех вышедшего в 1986 году компьютера Compaq Deskpro 386 сделал Intel ключевым поставщиком процессоров для PC-индустрии, а выпуск в 1989 году процессора 80486 окончательно подтвердил этот статус.

Pentium стал первым процессором Intel, получившим собственное имя

Следующим этапом борьбы Intel с производителями процессоров-клонов стал выпуск в 1993 году процессора пятого поколения под торговой маркой Pentium (поскольку в 1990 году суд постановил, что числовые обозначения, вроде 386 или 486, не могут быть торговыми марками). Pentium стал первым процессором Intel, использовавшим суперскалярную архитектуру: в определённых ситуациях он мог выполнять сразу несколько инструкций за цикл. Pentium стал первым процессором Intel с производительностью более 100 MIPS (миллионов инструкций в секунду) и первым процессором семейства x86, который превосходил по производительности самые быстрые RISC-процессоры, существовавшие на тот момент. К слову, производители процессоров-клонов (такие, как AMD и Cyrix) смогли догнать Pentium по быстродействию только тогда, когда Intel уже перешла к выпуску процессоров следующего поколения, использующих микроархитектуру P6.

1975: современная формулировка

Со временем Гордон Мур пересмотрел свой закон и вывел формулировку, в которой он и известен сейчас.

В 1975 году, уже получив опыт работы с микропроцессорами (которые имели меньшую плотность компонентов, чем микросхемы памяти), Гордон Мур изменил формулировку своего закона. Во время ежегодной встречи IEEE (Института инженеров электротехники и электроники) он предположил, что количество транзисторов в интегральных микросхемах будет удваиваться не каждый год, как считалось ранее, а каждые 24 месяца. В качестве основных факторов, позволяющих добиться подобных темпов роста, Мур указал увеличение площади кристаллов, постепенный переход к более тонким технологическим процессам и более эффективный подход к разработке интегральных микросхем. Именно после этой встречи и возник термин "закон Мура", придуманный и популяризованный профессором Калифорнийского института технологий Карвером Мидом. На основе закона Мура другой сотрудник Intel, Дэвид Хаус, предположил, что производительность интегральных схем будет удваиваться каждые 18 месяцев - как за счёт увеличения количества элементов, так и за счёт повышения их (элементов) быстродействия.

Хотя изначально закон Мура был всего лишь констатацией уже известных фактов и прогнозом на будущее, по мере роста его известности он всё чаще стал использоваться как инструмент планирования. В результате компании-производители полупроводников начали тратить маркетинговые и инженерные ресурсы на поддержание заданных законом Мура темпов прогресса, что превратило его в самоисполняющееся пророчество.

Согласно широко распространённому мнению, закон Мура применим не только к полупроводниковой индустрии, но и к технологиям в целом, а также к экономике. Основной движущей силой экономического роста является производительность труда, которая в наше время напрямую зависит от технологий. В 1995 году Мур предположил, что "скорость технического прогресса будет ограничена экономическими реалиями". На деле произошло ровно обратное: развитие полупроводников привело к глобальному росту производительности труда и улучшению экономических условий, а доступность компьютерных технологий - к качественным прорывам в различных областях человеческой деятельности, от энергетики до авиационно-космической отрасли.

Что дальше?

В 2005 году сам Гордон Мур в интервью журналу Techworld указал, что рано или поздно его закон перестанет действовать, поскольку транзисторы со временем достигнут размеров отдельных атомов:

"В плане размера транзисторов мы приближаемся к размерам отдельных атомов, что является фундаментальным барьером. Но мы не достигнем этого барьера на протяжении ещё двух-трёх поколений. У нас есть ещё 10 или 20 лет до момента, когда мы достигнем ограничений по размеру транзистора. Но к тому моменту мы научимся делать микросхемы большей площади, содержащие миллиарды транзисторов".

На протяжении последних 30 лет постоянно звучат прогнозы, что закон Мура будет справедлив в течение ещё 10 лет

В 2003 году компания Intel предсказывала, что существующие технологии достигнут своего предела между 2013 и 2018 годами с переходом на 16-нанометровый техпроцесс. При этом размеры затвора индивидуальных процессоров достигнут 5 нм, а в таких масштабах уже начинают сказываться ограничения, накладываемые туннельным эффектом. Однако по состоянию на сегодня компания успешно освоила 14-нанометровый техпроцесс, по которому выпускаются новые процессоры Broadwell. В 2008 году Пэт Гелсингер, старший вице-президент и бывший главный технолог Intel, отметил, что на протяжении последних 30 лет постоянно звучат прогнозы, что закон Мура будет справедлив в течение ещё 10 лет. Некоторые учёные (например, физики Лоренс Краусс и Гленн Старкман) утверждают, что в конечном итоге закон Мура будет справедлив до тех пор, пока мы не достигнем предела Бекенштейна, ограничивающего максимальную плотность информации. К слову, для достижения этого предела плотность интегральных схем необходимо повысить в 10 ²⁷ раз, так что в этом случае закон Мура может соблюдаться ещё более 200 лет.

В каком-то смысле закон Мура является противоположностью законов Мёрфи: всё становится только лучше и лучше

Оглядываясь назад, можно увидеть, что на протяжении 50 лет своего существования закон Мура часто сталкивался с трудностями, которые казались непреодолимыми - и которые, каждая в свой черёд, успешно преодолевались. Как сказал в 2007 году сам Гордон Мур, "в каком-то смысле мой закон является противоположностью законов Мёрфи: всё становится только лучше и лучше".

Источник