Новая статья: Больше Мура, больше чем Мур и после Мура

В этом году одному из известнейших в ИТ-отрасли эмпирических правил, «закону Мура», по действующему законодательству не пора ещё на пенсию: впервые Гордон Мур (Gordon Moore), в то время топ-менеджер Fairchild Semiconductor, а позже сооснователь Intel, сформулировал его в 1965-м, всего-то 61 год назад. Изначально исследователь выдвинул предположение, что число элементарных компонентов (транзисторов) на интегральных схемах будет удваиваться каждый год, — и на протяжении всего последовавшего за тем десятилетия его прогноз отменно оправдывался. В 1975 году пришлось чуть скорректировать правило: удвоение всё того же количественного параметра отныне ожидалось каждые два года, — и в этой формулировке «закон Мура» продержался более четверти века. В начале 2000-х нужда снова заставила ввести поправку на вязкость (если за таковую считать неуклонно усиливающееся по мере сокращения технологических норм сопротивление среды полупроводниковых разработок: удорожание установок и НИОКР в целом, рост требований к чистоте материалов и реактивов, проявление квантовых свойств материалов на наномасштабах и т. д.): чипы с вдвое превосходящей прежнюю производительностью — обратите внимание, об одном только количестве транзисторов речь уже не шла; в расчёт начали принимать ещё и рабочие частоты микросхем — стали появляться раз в 18 месяцев. А в 2015-м, выступая в честь полувекового юбилея знакового для всей ИТ-отрасли «закона» в Музее технологий Сан-Франциско, сам Мур, на тот момент уже 86-летний ветеран полупроводниковой индустрии, предупредил, что правило его имени не будет соблюдаться вечно —, но при должной инженерной смекалке ещё лет на 5−10 рассчитывать можно.

В 2026-м назначенный патриархом микроэлектроники срок, можно считать, уже точно вышел. Так почему же исследователи и сегодня продолжают с изрядным упорством гальванизировать «закон Мура», предлагая и уже даже начиная реализовывать по меньшей мере три пути его дальнейшего развития: More Moore («больше Мура» — линейное совершенствование КМОП-технологий с упаковкой всё большего количества работающих на всё более высокой частоте транзисторов в квадратный миллиметр), More than Moore («больше чем Мур» — вертикальное комбинирование разнородных чиплетов, решающих специализированные задачи и эффективно обеспечивающих всё тот же поступательный и предсказуемый рост производительности чипов) и Beyond Moore («после Мура» — тут уже речь идёт об отказе от полупроводников в пользу фотоники, нейроморфики и иных перспективных направлений)? Чего ради, не считаясь с затратами, рисовать прямую линию, которая задавала бы курс развития мировой чипмейкерской индустрии на среднесрочную перспективу? Неужели у этой самой индустрии нет насущных проблем посерьёзнее — вроде острейшей нехватки полупроводников на волне спровоцированного искусственным интеллектом ажиотажного спроса на специализированные серверные вычислители и память для них?

⇡#Капитал там правит бал

Мы в своё время довольно подробно исследовали причину, по которой глобальная ИТ-отрасль с искренним энтузиазмом ухватилась за обнаруженную Муром эмпирическую закономерность: себестоимость полупроводниковой микросхемы с немалой точностью обратно пропорциональна количеству образующих её элементарных компонентов. То бишь если в 1966-м на рынок выходил процессор с вдвое бóльшим числом транзисторов, чем у модели 1965 года, затраты на изготовление двух этих чипов оказывались практически идентичными, — тогда как заказчику, ясное дело, более производительная микросхема обходилась дороже. Но внакладе тот не оставался: получая возможность решать свои насущные задачи вдвое быстрее прежнего, клиент довольно оперативно отбивал свои расходы — и уже сам начинал получать чистую прибыль от эксплуатации обновлённого компьютера. Такая схема устраивала каждого, от разработчиков электроники до её конечных пользователей: ведь раз неумолимая поступь прогресса обрела благодаря «закону Мура» чётко предвычисленную скорость, то и планировать свой бизнес всем участникам ИТ-рынка сделалось упоительно просто. В разговоре с Гордоном Муром на уже упоминавшемся торжестве в честь 50-летия его «закона» в Сан-Франциско Брайан Кржанич (Brian Krzanich), тогдашний генеральный директор Intel, прямо назвал это правило «не столько физической, сколько экономической» закономерностью; «метрономом» для всей Кремниевой долины: «Следуя задаваемому им ритму, вы добиваетесь успеха. Отстаёте — всё; считайте, конкуренты вас обогнали». Вырываться вперёд тоже, кстати, особого смысла не было: удвоение условной производительности ЦП раз в полтора-два года — темп уже достаточно хороший, и тратить избыточные средства лишь только для того, чтобы временно опередить соперников на считаные проценты, не имея твёрдых гарантий удержать достигнутое превосходство на следующем цикле, никому не хотелось. Так самым естественным образом «закон Мура» и стал самосбывающимся — точнее, осознанно и дотошно соблюдаемым всеми заинтересованными сторонами — пророчеством.

Правда, довольно скоро пророчество это столкнулось с нелицеприятной реальностью. Для начала — в лице программистов, которым так вскружил голову плановый рост вычислительной мощи процессоров и объёмов доступной серийным компьютерам памяти, что они стали значительно меньше внимания уделять оптимизации порождаемого кода, если сравнивать с домуровской (до 1965 года) эпохой мэйнфреймов. И дело тут вовсе не в лени: во-первых, программистов за считаные годы стало значительно больше прежнего, а нагрузка на них возросла, что неизбежно привело к понижению среднего качества выдаваемого на-гора кода. Во-вторых, наниматели этих самых программистов принялись с энтузиазмом осваивать не только научные и бюджетные (ядерный проект, космическая программа и т. п.), но и коммерческие задачи —, а потому приоритетными стали скорость разработки и расширение возможностей программного обеспечения. Фактически бесплатное и гарантированное на годы вперёд повышение производительности «железа» позволяло маскировать слабость оптимизации непрерывно расширяющего функциональность ПО — и в то же время стимулировало развитие языков высокого уровня и сложных фреймворков, опирающихся на значительные объёмы оперативной памяти и высокопроизводительные процессоры. Да что там; даже в первом приближении развивать машинное обучение и искусственный интеллект, не полагаясь на чёткий распорядок появления на рынке всё более мощных аппаратных средств, вряд ли кто-либо стал бы. Так что не соблюдай ИТ-индустрия «закон Мура» десятилетиями, никакого ажиотажа вокруг ИИ до сей поры, скорее всего, и не возникло бы.

И всё же в прикладной области, на уровне непосредственно исполняемого в интересах заказчика ПО, особенно общего назначения — текстовые процессоры, бухгалтерские программы, игры и проч., — «закон Мура» довольно скоро оказался уравновешен не менее эмпирическим «законом Вирта»; часто говорят также о «законе Гейтса» как об уточнённой формулировке последнего. В 1995 г. Никлаус Вирт (Niklaus Wirth — исследователь из знаменитой Швейцарской высшей технической школы Цюриха, ETH Zurich, и создатель языка Pascal) лапидарно сформулировал общее правило, справедливость которого на тот момент была уже вполне самоочевидна для всех, кто писал программы или пользовался ими: «Программное обеспечение замедляется быстрее, чем ускоряется аппаратное». Строго говоря, сам Вирт прямо указывал, что автор этого высказывания — которое он разместил на первой странице издававшегося IEEE журнала Computer, — Мартин Райзер (Martin Reiser), ранее сотрудник IBM Research, а затем директор Института медиакоммуникаций им. Фраунгофера в Санкт-Аугустине, Германия. В колонке, содержавшей хлёсткую фразу, которая позже закрепилась в среде компьютерщиков именно как «закон Вирта», сам Вирт сетовал, в частности, на то, что в начале 1970-х совершенно спокойно работал в текстовом редакторе, который занимал 8 Кбайт компьютерной памяти, — тогда как ПО, потребовавшееся для написания вот этой конкретно статьи четверть века спустя, уже нуждалось в стократно большем объёме ОЗУ. Чуть позже ту же идею анонимные отраслевые острословы переформулировали на манер стиха из Библии короля Иакова: Groves giveth, and Gates taketh away («Что Гроув даёт, то Гейтс забирает»), имея в виду компенсацию роста аппаратной мощи ПК — благодаря стараниям инженера и бизнесмена Энди Гроува (Andy Grove), сыгравшего ключевую роль в переходе Intel от производства чипов памяти к разработке микропроцессоров, — аналогичным увеличением объёма вычислений, необходимых для выполнения прикладных задач. А вот за последнее спасибо (с особой интонацией) предлагалось говорить возглавлявшему тогда Microsoft Биллу Гейтсу (Bill Gates), — неоптимальность кода Windows и иных созданных в этой компании приложений успела к концу прошлого века стать в ИТ-отрасли притчей во языцех. В итоге из довольно-таки общо сформулированного «закона Вирта» получился в точности адекватный, разве что с обратным знаком, «закону Мура» в уточнённой к тому времени формулировке «закон Гейтса»: «Скорость исполнения программного обеспечения уменьшается вдвое каждые 18 месяцев».

⇡#Мельче, ещё мельче!

Маркетинговый смысл «закона Мура» — особенно в условиях уравновешивающего его в плане производительности прикладного ПО «закона Гейтса» — стал к началу нынешнего века неоспоримым поводом придерживаться этого эмпирического правила как можно дольше. Даже такие серьёзные экономические потрясения, как крах доткомов или финансовый кризис 2008 г., для глобальной полупроводниковой индустрии прошли на стратегическом уровне незамеченными — всё благодаря прочной сети долговременных взаимных обязательств, связавших чипмейкеров, поставщиков и заказчиков вычислительной техники по всему миру, каждый из которых опирался на «закон Мура» в качестве ориентира, составляя свои бизнес-планы. И когда физические размеры транзисторного затвора на кремниевых микросхемах начали неумолимо приближаться к физическому пределу, короче которого этот полупроводниковый элемент изготовить попросту невозможно, — примерно 25 нм, — буквально вся индустрия с энтузиазмом принялась изыскивать способы обойти эту зачарованную черту или вовсе сквозь неё туннелировать. В 2016 году Институт инженеров электротехники и электроники, IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), представил международную дорожную карту для устройств и систем — International Roadmap for Devices & Systems (IRDS), которая как раз и указала два наиболее очевидных пути спасения самоподдерживающегося, а заодно и поддерживающего всю глобальную ИТ-индустрию, пророчества: More Moore и More than Moore.

Первый из них, экстенсивный, хотя и сопряжён с целым рядом технологических трудностей, всё-таки опирается на более чем полувековой задел развития полупроводниковой фотолитографии — и потому относительные затраты на продвижение по нему ощутимо ниже, чем по второму (More than Moore) и тем более по третьему (Beyond Moore). Собственно, на это мы указывали уже не раз в статьях, посвящённых различным перспективным направлениям развития вычислительной техники: при всех бесспорных (будущих) достоинствах принципиально новые технологии так или иначе потребуют огромных капиталовложений только для того, чтобы выбраться на уровень полупроводниковых производств хотя бы тех времён, когда Гордон Мур формулировал первую версию своего «закона». А такого объёма свободных средств нет в нынешних макроэкономических реалиях, пожалуй, даже ни у одного государства, не говоря уже о частных инвесторах.

Так что экстенсивный путь «больше Мура» мы сегодня можем наблюдать на примере наиболее передовых серийных техпроцессов — что »18A» и »14A» у Intel, что соответствующих им »2-нм» производственных норм TSMC и Samsung. Рецепт в теории прост: раз габариты транзисторов не выходит более уменьшать путём геометрического сокращения площади, занимаемой их элементами (затвором в первую очередь), надо изыскивать способы конструировать эти самые транзисторы как-то иначе — не уходя притом от ключевой КМОП-парадигмы, чтобы по-прежнему полагаться на отработанные полупроводниковые технологии. Один из наиболее очевидных вариантов — переход от конструкции FinFET с «плавником» или «гребнем» к архитектуре RibbonFET (разновидности Gate-All-Around/GAA с кольцевым или «обнимающим» затвором). Многослойные плоские нанолистовые каналы таких транзисторов затвор охватывает со всех четырёх сторон, препятствуя тем самым утечкам тока за счёт эффектов квантового туннелирования: нет подзатворной области, где такие эффекты в плоских транзисторах проявляются, — нет и утечек.

Другие усовершенствования, предложенные Intel, также работают на повышение плотности затворов на микросхеме: это PowerVia и PowerDirect — подача питания на элементы логических схем с обратной стороны кристалла. Дело в том, что традиционная укладка силовых шин в слоях, расположенных выше логических контуров, приводит (начиная с определённого масштаба миниатюризации) к паразитным наводкам на эти контуры помех от питающих токов. Приходится для минимизации таких наводок разносить транзисторы подальше один от другого, чтобы шины питания отстояли от логических контуров достаточно далеко, —, а PowerVia в случае »18A» и PowerDirect для »14A» эту проблему снимают, позволяя эффективно наращивать плотность транзисторов на чипе. Наконец, с внедрением высокоапертурных литографов — High-NA EUV — для техпроцесса »14A» удастся ещё более сократить промежутки между транзисторами, реализуя геометрическое масштабирование микросхем уже почти на физически достижимом пределе. Дальше речь может идти о внедрении дополнительно способствующих миниатюризации технологий — двумерных полупроводниковых материалов, вертикального размещения n- и p-полупроводниковых зон на чипе (CFET — complementary FET) и т. п. Но все эти хитрости подхода More Moore по-прежнему будут опираться на прекрасно отлаженную инженерно-производственную базу, что сделает их коммерчески оправданными.

⇡#За пределами изведанного

More than Moore можно рассматривать как промежуточный подход: не поиск альтернативы полупроводниковым технологиям, но дополнение их за счёт функциональной диверсификации интегральной схемы — с применением новых материалов и добавлением к её логическим контурам нецифровых компонентов. Строго говоря, интеграция разного рода датчиков или аналоговых контуров в единую с КМОП-логикой систему — не самоцель; главное, чего добиваются энтузиасты этого подхода, — отказ от монолитного универсального кристалла и перекомпоновка его в составной, образованный разнородными чиплетами с высокоскоростными соединениями между ними — с применением таких технологий, как Intel Foveros или TSMC CoWoS. В рамках концепции «больше чем Мур» производится по сути деконструкция исходной идеологии сверхбольших интегральных схем: отдельные функциональные компоненты — центральный и графический процессоры, тензорные и нейронные вычислительные системы — настолько усложнились к настоящему времени сами по себе, что нет никакого смысла прилагать неимоверные инженерные усилия к упаковке их в физически единый кристалл: слишком уж большим тот в итоге окажется. Да, известен проторённый Cerebras Systems максималистский путь — размещать на целой (300-мм в диаметре) пластине-заготовке один-единственный монолитный кристалл, —, но и здесь не уйти от многочисленных ограничений, прежде всего по части универсальной применимости получаемой таким образом царь-микросхемы.

Чиплетный подход, к которому в целом сводится направление More than Moore, развивается в ИТ-индустрии более 40 лет, что дополнительно свидетельствует в его пользу, — технологический задел тут тоже накоплен будь здоров какой. Правда, пока этот подход применялся локально, при изготовлении ограниченной номенклатуры СБИС сравнительно малыми тиражами, себестоимость получаемой таким образом продукции оставалась весьма высокой —, а ведь, напомним снова, весь смысл реанимации «закона Мура» заключается именно в том, чтобы вернуть полупроводниковую индустрию на крейсерский курс не предсказуемой даже, а просто-таки плановой регулярной модернизации с целью гарантировать всем, кто решится вложить в неё огромные средства, возврат инвестиций в строго определяемые на старте проекта сроки. По этой причине разработчики микросхем, уже активно делающие ставку на чиплеты — AMD, Intel, Marvell и многие другие, — всё более предметно задумываются о стандартизации чиплетных межсоединений, что позволит привлечь к изготовлению такого рода полупроводниковых изделий сторонних производителей чиплетов. Далеко ведь не каждый чиплет должен соответствовать модным ныне »2-нм» производственным нормам, чтобы адекватно решать свою задачу. А значит, удастся переложить часть чипмейкерской нагрузки на «морально устаревшие», но вполне работоспособные и во множестве доступные фабрики, нарастив тем самым объёмы выпуска готовой продукции и снизив её себестоимость.

Ещё одно важное преимущество подхода «больше чем Мур» заключается в том, что при должным образом организованных межсоединениях действительно не имеет значения, на каких именно физических принципах основана работа каждого из чиплетов в составном кристалле. А это крайне важно для встраиваемых СБИС, которые будут работать в элементах умного дома, промышленного интернета вещей, периферийных (edge) ИИ-вычислителей и тому подобных систем со специфическими режимами функционирования и жёсткими ограничениями по габаритам, энергопотреблению и иным параметрам. Чипы поколения More than Moore рассматриваются многими как предпочтительная аппаратная основа для налаживания киберфизических коммуникаций — передачи данных между объектами и процессами реального мира, с одной стороны, и цифровыми вычислительными системами, с другой. Именно по этой причине так важна возможность реализовывать на уровне чиплетов разнообразные (в том числе аналоговые) датчики и преобразователи, переводящие изменения некой физической величины — температуры, давления, параметров движения — в электрический сигнал и обратно. Для умных автомобилей и беспилотных систем самого разного рода, для перспективных нейроинтерфейсов и иных завораживающих приложений чипы «больше Мура» — насущная необходимость: в их отсутствие «сшивание» цифрового и вещного миров будет обходиться значительно дороже и с куда бóльшим трудом выйдет на необходимый уровень детализации. Можно утверждать, что примерно ту же коммерческую уверенность в завтрашнем дне, что классический «закон Мура» обеспечивал ИТ-отрасли столь долгое время, подход More than Moore гарантирует киберфизическим системам. В этом случае энтузиастам на этом направлении куда проще окажется находить инвесторов, чем сегодня, когда оценить сроки возврата средств, вложенных в разработку какого-нибудь Neuralink, не представляется возможным со сколько-нибудь реалистичными допусками.

Наконец, парадигма Beyond Moore, о сроках практической реализации которой — в отличие от той же «больше чем Мур» — говорить пока совсем рано, призвана наиболее решительно устранить фундаментальные физические и экономические ограничения по части масштабирования вычислительных систем. В случае полупроводников, как мы уже говорили, ограничения эти, прежде всего на длину затвора транзистора (даже с учётом применения некремниевых или и вовсе двумерных материалов), вполне объективны и исчисляются довольно солидным числом нанометров. Если же взять за основу нового прорыва в вычислительной отрасли фотонику, то там всё куда интереснее: хотя сами по себе светоизлучатели и фотоприёмники довольно крупногабаритны в сравнении с полупроводниковыми контурами, не существует теоретических ограничений на нахождение в одной и той же области пространства любого количества фотонов, т. е. на интенсивность производимых в этой области вычислений (практическое ограничение всё же есть, так называемый предел Швингера — Schwinger limit, — но, чтобы его достичь, требуется немало постараться). Спинтроника — опора при организации вычислений на ориентацию спинов электронов, а не на переносимый ими заряд — тоже рассматривается как перспективное направление. Ещё один многообещающий подход в рамках Beyond Moore — нейроморфные («мозгоподобные») вычисления: биологическая нервная система невероятно продуктивна и эффективна, хотя аппаратная её база, скажем мягко, несовершенна; тут есть чему поучиться. Ну и конечно же, квантовые вычисления: здесь простор для повышения производительности расчётов (пусть и довольно специфических) попросту невообразимый.

Заодно на пути «после Мура» почти наверняка произойдёт отказ от фоннеймановской архитектуры построения вычислительных систем — которая до сих пор почти безраздельно доминирует в ИТ-отрасли, но которую потребности человечества явно уже начинают перерастать. Словом, по мере того, как трепетно соблюдавшееся на протяжении шести с лишним десятилетий самосбывающееся пророчество начинает всё более явно терять предсказательную силу, инженеры и бизнесмены в едином порыве стремятся поскорее сформулировать новое — потому что без опоры на столь детально прописанную дорожную карту технического прогресса дальнейшее совершенствование вычислительной техники грозит обходиться слишком уж дорого.

©  3DNews