3D-transistors komen om de wet van Moore te redden

Snelle links

• Hoe zijn computers steeds sneller geworden ?

• Waarom kunnen transistors niet steeds kleiner worden?

• 3D-transistors komen de wet van Moore redden

Decennia lang hebben krimpende transistors geleid tot een explosieve toename van de rekenkracht, maar aan die tijd komt een einde. De vraag is: waar gaan we nu heen? Het 3D-ontwerp is een belangrijk onderdeel van het antwoord.

Hoe hebben computers Doorgaan om sneller te worden?

Computerprocessors bestaan ​​allemaal uit transistors – zij zorgen ervoor dat computers ‘logische bewerkingen’ kunnen uitvoeren. wat betekent dat je getallen moet vergelijken en manipuleren. Als je er genoeg van combineert, kom je uiteindelijk waar we nu zijn: computers die audio kunnen opnemen, foto's kunnen maken en verwerken, wiskunde kunnen doen, videogames kunnen weergeven en zelfs met ons kunnen praten.

Over het algemeen geldt: hoe meer transistors je hebt, hoe “slimmer” je bent. en uw computer zal capabeler zijn.

Toen transistors voor het eerst werden uitgevonden (rond 1950), had een enkele transistor een doorsnede van ongeveer 2 centimeter (bijna 1 inch) en leek hij meer op een rekwisiet uit een sciencefiction-horrorfilm dan op een functioneel stukje technologie. Tegenwoordig zijn de zaken anders. Moderne transistors hebben over het algemeen een diameter van minder dan 60 nanometer (een nanometer is een miljardste van een meter), wat een verkleining is die ongeveer gelijk staat aan het verkleinen van de maan tot de grootte van een citroen. Transistors zijn sinds hun uitvinding betrouwbaar kleiner geworden, zodat het aantal transistors dat we in een bepaald gebied kunnen proppen ongeveer elke 18-24 maanden verdubbelt, een fenomeen dat gewoonlijk de wet van Moore wordt genoemd.

We kunnen nu miljarden transistors in een microprocessor ter grootte van een munt stoppen, en dat heeft het voor computers mogelijk gemaakt om van enorme machines die hele gebouwen in beslag namen, te veranderen in apparaten die klein genoeg zijn om in je zak mee te nemen. Maar er is een probleem: transistors worden te klein.

Waarom kunnen transistors niet steeds kleiner worden?

Naarmate transistors kleiner worden, worden ze steeds moeilijker om betrouwbaar te produceren. Zelfs de beste beschikbare methoden resulteren in verspilling, hoewel dat niet altijd erg is. Als u bijvoorbeeld een 16-core CPU probeert te produceren en slechts de helft van de cores werkt, kunt u de defecte cores gewoon uitschakelen en het apparaat verkopen als een 8-core CPU, zonder schade aangericht.

Soms hebben de defecten echter invloed op iets kritisch en moet het hele apparaat worden weggegooid. Naarmate transistors kleiner zijn geworden, is dit probleem ernstiger geworden.

Afgezien van alleen productieproblemen, wordt een eigenaardig effect van de kwantummechanica – kwantumtunneling – problematisch gebruikelijk als je het hebt over circuits op nanoschaal. Kwantumtunneling heeft tot gevolg dat elektronen soms op plaatsen terechtkomen waar ze normaal gesproken niet zouden kunnen komen, en dat maakt het moeilijk om processors te maken die betrouwbaar functioneren.

Chips kunnen breder worden om plaats te bieden aan meer transistors, maar dat verergert de productie-uitdaging ernstig en maakt het ontwerpen van de microchips des te ingewikkelder.

De combinatie van toegenomen productieproblemen en de fundamentele grenzen van de natuurkunde heeft ons bijna aan het einde van de wet van Moore gebracht, maar met de altijd aanwezige vraag naar betere, slimmere en snellere computers, waar kunnen we we gaan?

3D-transistors komen de wet van Moore redden

Transistors op een chip lijken een beetje op een eilandstad met gebouwen van één verdieping. Je kunt de gebouwen alleen zo klein maken voordat ze onbruikbaar worden, en omdat je op een eiland zit, kun je niet voor altijd naar buiten blijven groeien. Net als eilandsteden worden moderne transistors ontworpen om te profiteren van de verticale ruimte. In plaats van ze in een plat vlak te bevestigen, kunnen ze verticaal naast elkaar worden geplaatst, zodat er ruimte is voor 'dingen'. in dezelfde voetafdruk te rangschikken.

CFET is een 3D-ontwerp dat we waarschijnlijk begin 2030 of zo zullen zien.

Paper 29.6, “Complementair veld- Effecttransistor (CFET)-demonstratie op 48nm Gate Pitch voor toekomstige logische technologie
Schalen,” S. Liao et al, TSMC)

Hoe slim we ook mogen zijn met de ontwerpen van toekomstige transistors, het valt niet te ontkennen dat het einde van de wet van Moore eerder nadert dan iedereen zou willen. 3D-transistors zijn een manier om het probleem tijdelijk te omzeilen, maar ze zijn slechts een deel van het plaatje. Er wordt meer nadruk gelegd op het ontwerpen van processors die uitblinken in specifieke taken – zoals neurale verwerkingseenheden (NPU’s) met AI-toepassingen – om de prestaties te maximaliseren. Er is ook de mogelijkheid dat nieuwe materialen betere eigenschappen zullen hebben waardoor transistors van de volgende generatie nog verder kunnen krimpen, of dat een doorbraak in quantum computing ze bruikbaarder zal maken voor alledaagse toepassingen, maar er zijn geen garanties. Dat zijn opties die uiteindelijk beperkt kunnen worden door de wetten van de natuurkunde.