آیا قانون مور در صنعت تراشه به پایان راه خود رسیده است؟

تبعیت از قانون مور در دهه‌های گذشته باعث افزایش تعداد ترانزیستورها در تراشه‌ها و بهبود قدرت پردازشی آن‌ها شده، اما آیا در ادامه پیروی از قانون مور امکان‌پذیر است یا عمر این قانون رو به پایان است؟

حداقل یک دهه است که حرفه‌های زیادی در رابطه با پایان قانون مور (Moore’s law) گفته می‌شود. شاید با خواندن این جمله اولین سؤالی که به ذهنتان برسد این باشد که با پایان تبعیت از این قانون در طراحی و ساخت تراشه‌، از چه روش‌هایی برای پیشرفت تراشه‌ها استفاده خواهد شد.

از زمان اختراع ترانزیستور کامپیوتر در سال ۱۹۴۷ تا به امروز، تعداد آن‌ها در تراشه‌های سیلیکونی که قدرت دنیای مدرن را تامین می‌کنند، بطور چشمگیری افزایش پیدا کرده که نتیجه‌اش دسترسی به قدرت بسیار بالاتر طی 70 سال گذشته بوده است.

ترانزیستور قطعه‌ای فیزیکی است که همچون سایر قطعات فیزیکی تحت تأثیر قوانین فیزیک است، بنابراین با یک محدودیت فیزیکی برای میزان کوچک بودن یک ترانزیستور روبه‌رو هستیم.

زمانی که گوردون مور (Gordon Moore)، مبدع قانون مور، پیش‌بینی خود درباره افزایش قدرت پردازشی را مطرح کرد، هیچ فردی به ترانزیستورها در مقیاس نانومتر فکر نمی‌کرد. اما حالا که وارد دهه سوم قرن ۲۱ شده‌ایم، اتکای ما به قرارگیری تعداد بیشتر ترانزیستورها درون تراشه‌ها، در مقابل محدودیت‌های فیزیکی قرار گرفته و باعث ایجاد نگرانی درباره سرعت پیشرفت فناوری شده؛ سرعتی که در دهه‌های اخیر به آن عادت کرده‌ایم.

تاریخچه ترانزیستور

ترانزیستور قطعه نیمه‌هادی با حداقل ۳ ترمینال است که می‌تواند به مدار الکتریکی متصل شود. معمولا یکی از این ترمینال‌ها مسئول کنترل گردش جریان از طریق دو ترمینال دیگر است که امکان سوئیچ سریع در مدار دیجیتال را فراهم می‌کند. قبل از ساخت ترانزیستور، عملیات سوئیچ سریع در مدار با کمک شیر ترمیونیک انجام می‌شد که معمولاً به‌عنوان لامپ خلأ شناخته می‌شود.

لامپ خلأ نسبت به ترانزیستورها به میزان قابل‌توجهی بزرگ‌تر بودند و برای کار به نیروی بیشتری هم نیاز داشتند. این قطعات برخلاف ترانزیستورها جزو قطعات حالت جامد محسوب نمی‌شوند؛ بنابراین احتمال ازکارافتادن آن‌ها در عملیات عادی وجود دارد؛ زیرا آن‌ها متکی به حرکت الکترون‌های در حال جریان در لامپ برای هدایت جریان الکترونیکی هستند.

این موضوع به معنای این است که قطعاتی که برای ساخت آن‌ها از لامپ خلأ استفاده شده است، بزرگ و داغ هستند و استفاده از آن‌ها هزینه بالایی دارد. در ضمن این قطعات به دلایل مختلفی از کار می‌افتند و ممکن است ازکارافتادن آن‌ها باعث ازکارافتادن خود دستگاه نیز بشود؛ بنابراین وسایلی که این قطعات را دارند، نیازمند نگهداری و سرویس دوره‌ای هستند.

ترانزیستور توسط «جان باردین» (John Bardeen) و «والتر هاوسر براتین» (Walter Houser Brattain) و تحت نظارت «ویلیام شاکلی» (William Shockley) در آزمایشگاه‌های بل (Bell Labs) برند AT&T اختراع شد؛ البته طرح مفهومی ترانزیستور ۲۰ سال قبل از اختراع آن ارائه شد؛ اما نسخه قابل‌ استفاده آن در آزمایشگاه‌های بل ساخته شد.

شاکلی در سال ۱۹۴۸ با طراحی ترانزیستور پیوندی دوقطبی، ترانزیستور مورد استفاده در نخستین کامپیوتر طراحی‌ شده در سال ۱۹۴۷ را ارتقا داد. ترانزیستورهای پیوندی دوقطبی در دهه ۱۹۵۰ برای نخستین بار به تولید انبوه رسیدند.

اتفاق بزرگ بعدی در تاریخ تراشه‌سازی، غیرفعال‌سازی سطح سیلیکون بود که در پی آن تراشه‌سازان توانستند ابتدا سیلیکون را به عنوان ماده نیمه‌رسانا در ترانزیستور و سپس در مدارهای مجتمع جایگزین ژرمانیوم کنند.

در نوامبر ۱۹۵۹ «محمد عطاءالله» (Mohamed Atalla) و «داوون کانگ» (Dawon Kahng)، در آزمایشگاه‌های بل ترانزیستور اثر میدانی فلز-اکسید-نیمه‌هادی (metal–oxide–semiconductor field-effect) یا ماسفت (MOSFET) را اختراع کردند که در مقایسه با ترانزیستورهای پیوندی دوقطبی شاکلی انرژی کمتری مصرف می‌کرد و مقیاس‌پذیرتر بود.

امروزه ماسفت‌ها هنوز هم ترانزیستورهای اصلی مورد استفاده محسوب می‌شوند؛ زیرا اندازه این ترانزیستورها می‌تواند به‌صورت فزاینده‌ای کوچک و کوچک‌تر شود. در سال ۱۹۷۳ «ویلیام سی هتینگر» (William C. Hittinger)، معاون بخش پژوهش و مهندسی شرکت RCA (شرکت بزرگ تولیدکننده قطعات الکترونیکی) موفق شد در طراحی خود بیش از ۱۰ هزار قطعه الکترونیکی را در فضایی با وسعت چند میلی‌متر روی تراشه جای دهد که در زمان خود پیشرفت بسیار خوبی بود؛ اما امروزه تعداد ترانزیستورهای موجود در تراشه‌ها بسیار بیشتر از این میزان است و در برخی تراشه‌ها میلیاردها ترانزیستور وجود دارد.

ابداع ناخواسته قانون مور توسط گوردون مور

گوردون مور شاید برای عموم مردم نامی آشنا نباشد؛ اما اختراع او در دنیای صنعتی امروزی تقریباً در تمام وسایل خانگی و اداری دیده می‌شود. او در سال ۱۹۶۵ زمانی که می‌خواست قانونی را که امروز قانون مور می‌نامیم، شرح دهد؛ چندان آن را مهم جلوه نمی‌داد و با افتخار در مورد آن سخن نمی‌گفت.

مور به‌عنوان یک مهندس الکترونیک در آزمایشگاه نیمه‌هادی شاکلی کار می‌کرد؛ اما بعدها مسیر زندگی‌اش تغییر کرد؛ او و تعدادی از کارکنان آزمایشگاه شاکلی که از مدیریت شاکلی ناراضی بودند؛ آزمایشگاه را ترک کردند و با مشارکت یکدیگر شرکت «فیرچایلد سیمیکانداکتور» (Fairchild Semiconductor) را در سال ۱۹۵۷ تأسیس کردند که به یکی از تأثیرگذارترین شرکت‌های تاریخ تبدیل شد.

مور سرپرست بخش تحقیق و توسعه شرکت شد و طبیعتاً از او در مورد وضعیت آن زمان قطعات نیمه‌هادی سؤال می‌شد. مجله الکترونیکز (Electronics magazine) در سال ۱۹۶۷ در جریان مصاحبه‌ای با مور از او خواست آینده صنعت قطعات نیمه‌هادی در ۱۰ سال آینده را پیش‌بینی کند و او هم با توجه به سطح خوب شرکتش در زمینه دستیابی به فناوری‌های مبتکرانه و با توجه به تجربه گذشته‌اش، تنها گفت انتظار دارد این صنعت در این دوره زمانی به پیشرفت قابل‌توجهی دست یابد و به موضوع دیگری اشاره نکرد.

چند سال پس از آغاز تولید قطعات نیمه‌هادی توسط فیرچایلد، هزینه تولید این قطعات کاهش یافت و اندازه آن‌ها نیز هر سال نصف سال قبل شد. مور در مقاله‌ای در سال ۱۹۹۵ در مورد این اتفاق این‌چنین نوشت:

«من در این سال‌ها تلاش می‌کردم به افراد فعال در این حوزه بفهمانم که چنین اتفاقی یک فناوری محسوب می‌شود و می‌تواند در بلندمدت پیشرفت زیادی را به دنبال داشته باشد. فکر می‌کنم که این فناوری دستاورد بزرگی برای صنعت قطعات نیمه‌هادی است. افزایش تعداد ترانزیستورها در فضایی با وسعت ثابت، ۳۵ سال ادامه داشته و پیش‌بینی چند هزار برابر شدن تراکم ترانزیستورها در وسعت ثابت، با اطمینان کامل از سال‌ها قبل واقعاً امر دشواری بود.»

پیش‌بینی مور تا یک دهه تقریباً درست درآمد و تراکم ترانزیستورهای تراشه در این مدت هر سال تقریباً دو برابر می‌شد؛ اما پس از گذشت این مدت، مور در پیش‌بینی‌اش تجدیدنظر کرد و حدس زد از آن زمان به بعد تراکم ترانزیستورها هر دو سال یک‌بار دو برابر می‌شود. او در ادامه گفته‌هایش گفته نمی‌تواند پیش‌بینی کند چه اتفاقی در انتظار نسل بعدی قطعات نیمه‌هادی است و جزئیات مرتبط با این موضوع را بیان کند؛ البته او معتقد بود تمام نسل‌های قطعات نیمه‌هادی که تا آن زمان ساخته شده بودند، روند یکسانی را طی کرده‌اند و تفاوتی با یکدیگر نداشته‌اند. به نظر او روند افزایش تراکم ترانزیستورها در مقاطع زمانی مشخص، تا آن زمان بدون وقفه ادامه داشته و در آینده نزدیک هم متوقف نخواهد شد.

البته چنین نظری از سوی مور در سال ۱۹۹۵ مطرح شده و شاید در آن سال نظر کاملاً درستی بوده است؛ اما اکنون ۲۷ سال از آن زمان گذشته و می‌توانیم بگوییم به‌زودی مرزهای قوانین فیزیک در صنعت تراشه‌سازی تغییر می‌کند و قانون مور معنا و مفهوم خود را از دست می‌دهد.

چرا قانون مور به مشکل برخورده است؟

در زمان کنونی و در سال ۲۰۲۲ فناوری‌های مختلف باعث شده‌اند اندازه ترانزیستورها بسیار کاهش یابد و احتمالا در آینده کاهش اندازه آن‌ها نسبت به‌اندازه کنونی تنها به میزان اندکی امکان‌پذیر خواهد بود؛ بنابراین در آینده تعداد و تراکم ترانزیستورهای مورد استفاده در تراشه‌ها افزایش چشمگیری نخواهد داشت. نقشه راه تولید TSMC برای سال ۲۰۲۴ نشان می‌دهد که عرض گیت ترانزیستور، بخشی از ترانزیستور که جریان الکترون‌ها به‌عنوان جریان الکتریکی در آن جریان دارد، در حال رسیدن به ۲ نانومتر است که اندازه بسیار کوچکی برای این بخش محسوب می‌شود.

عرض یک اتم سیلیکون ۰.۲ نانومتر است؛ بنابراین می‌توان در عرض یک گیت ترانزیستور ۲ نانومتری ۱۰ اتم سیلیکون قرار داد؛ کنترل جریان الکترون‌ها در این مقیاس به‌طور فزاینده‌ای دشوارتر می‌شود، به‌گونه‌ای که تمام اثرات کوانتومی در خود ترانزیستور اتفاق می‌افتد. در ترانزیستورهای بزرگ‌تر خارج شدن شکل اتم از حالت عادی، جریان کلی جریان الکترون‌ها را تحت تأثیر قرار نمی‌دهد؛ اما زمانی که فاصله تنها به‌اندازه ۱۰ اتم باشد، هرگونه تغییر در ساختار زیربنایی اتمی می‌تواند جریان داخل ترانزیستور را تحت تأثیر قرار دهد.

درنهایت اندازه ترانزیستور تا جایی که بتواند کار کند و قابل‌استفاده باشد، به حداقل میزان ممکن می‌رسد. فناوری‌های مورد استفاده برای ساخت تراشه‌های سیلیکونی و تقویت عملکرد آن‌ها در حال رسیدن به نهایت تکامل خود هستند.

مشکل دیگری که در رابطه با قانون مور وجود دارد؛ این است که کاهش اندازه ترانزیستورها دیگر به‌اندازه دهه ۱۹۶۰ باعث کاهش هزینه‌ها نمی‌شود (این کار در آن زمان هزینه ساخت تراشه را به میزان قابل‌توجهی کاهش می‌داد) و در بهترین حالت تنها ممکن است در یک نسل نسبت به نسل قبلی به میزان اندکی به کاهش هزینه‌ها کمک کند.

از سوی دیگر کاهش اندازه ترانزیستورها میزان تولید تراشه را تحت تأثیر منفی قرار می‌دهد. زمانی که تقاضا برای تراشه‌های نیمه‌هادی برای نخستین بار به میزان بسیار زیادی افزایش یافت؛ افزایش ظرفیت تولید گران تمام شد؛ اما حداقل برای عرضه تراشه مشکلی وجود نداشت. اما بعدها تقاضا برای استفاده از تراشه‌ها در وسایل مختلف (از گوشی‌های هوشمند گرفته تا ماهواره‌ها و وسایل اینترنت اشیاء) به‌صورت ناگهانی و به‌طور فزاینده‌ای افزایش یافت و به دلیل اینکه ظرفیت تولید پاسخگوی این حجم از تقاضا نبود، قیمت‌ها در تمام مراحل زنجیره تأمین افزایش یافت.

مشکل دیگری که باعث می‌شود طراحان از ادامه طراحی تراشه‌ها بر مبنای قانون مور منصرف شوند، افزایش تولید حرارت در تراشه‌ها به دلیل دو برابر شدن تعداد ترانزیستورها است. شاید با خود بگویید با کمک فناوری‌های خنک‌کننده می‌توان این مشکل را به‌راحتی برطرف کرد؛ اما باید بدانید که افزایش هزینه خنک‌سازی در مکان‌هایی که تراشه‌های زیادی در آن‌ها استفاده می‌شود مثل اتاق سرور، به‌طور فزاینده‌ای در حال تبدیل شدن به هزینه‌ای غیرقابل‌توجیه است و این افزایش هزینه برای افرادی که در کسب‌وکار خود از تعداد بسیار زیادی از پیشرفته‌ترین تراشه‌ها استفاده می‌کنند نیز منطقی نیست.

افرادی که چنین تراشه‌هایی را می‌خرند، به دنبال افزایش عمر و عملکرد آن‌ها هستند تا هزینه‌ها را کاهش دهند؛ اما افزایش حرارت تراشه‌ها در حین فعالیت آن‌ها، روی عمر و عملکرد این قطعات تأثیر منفی دارد. شرکت‌ها می‌خواهند برای صرفه‌جویی در هزینه‌ها، عمر و عملکرد تجهیزات کنونی‌شان را افزایش دهند و تراشه‌سازان برای قانون مور پیروی می‌کنند، به درآمد کمتری برای اختصاص دادن به بخش تحقیق و توسعه دست می‌یابند؛ بخشی که به خودی خود هزینه‌های بالایی می‌طلبد.

در ضمن در صورت عدم افزایش درآمد، تلاش برای برطرف کردن محدودیت‌های فیزیکی برای کاهش اندازه ترانزیستورها بیش از میزان کنونی، دشوار می‌شود؛ بنابراین حتی درصورتی‌که موانع فیزیکی به ادامه روند طراحی و ساخت تراشه‌ها بر مبنای قانون مور پایان ندهند، کاهش تقاضا برای ترانزیستورهای کوچک‌تر، باعث توقف این روند می‌شود.

چاره کار چیست؟

صنعت ساخت تراشه یک صنعت تریلیون دلاری است و به‌سادگی نمی‌توان در آن دنباله‌روی رویکرد جدیدی شد. از این پس دیگر تبعیت از قانون مور تقریباً امکان‌پذیر نیست؛ پس در آینده چه اتفاقی در انتظار صنعت تراشه‌سازی خواهد بود؟ ممکن است با خود بگویید با متوقف شدن افزایش تعداد ترانزیستورها، روند پیشرفت بیشتر در صنعت تراشه‌سازی هم متوقف خواهد شد. چنین نظری شاید در ظاهر درست باشد؛ اما آیا واقعاً بیشتر شدن تعداد ترانزیستورهای تراشه‌ها بیش از زمان کنونی ضروری است؟

در پاسخ این سوال باید بگوییم ظاهراً باید پایان روند پیشرفت تراشه‌ها را بپذیریم و با این موضوع کنار بیاییم. همان‌طور که می‌دانید در حال حاضر هر سال تراشه‌های پیشرفته‌تر و مدرن‌تری از سوی تراشه‌سازان عرضه می‌شوند و به همین دلیل معمولاً گوشی‌های خود را هر سه یا چهار سال یک‌بار و کامپیوترهای خود را هر پنج سال یک‌بار عوض می‌کنیم؛ اما درصورتی‌که تراشه‌های پیشرفته‌تر و قدرتمندتری عرضه نشوند، ما هم گوشی‌ها و کامپیوترهای خود را عوض نمی‌کنیم و هیچ اتفاق خاصی هم رخ نمی‌دهد! زیرا همه افراد تنها به دلیل تمایل برای بهره‌مندی از قدرت پردازشی بیشتر، هر چند سال یک‌بار گوشی‌ها و کامپیوترهای خود را عوض می‌کنند و هیچ نیاز غریزی آن‌ها را وادار به این کار نمی‌کند.

از سوی دیگر همان‌طور که گفتیم افزایش تعداد ترانزیستورها در تراشه‌ها در طول هفتاد سال باعث تکامل هر چه بیشتر آن‌ها شده و اکنون این تراشه‌های تکامل‌یافته تقریباً در تمام وسایل الکترونیکی مدرن وجود دارند.

در ضمن عمر کامپیوترها هنوز به یک قرن هم نرسیده است و تاریخ آغاز استفاده بشر از کامپیوتر به کمتر از یک قرن بازمی‌گردد؛ بنابراین بشر تنها در حدود یک 250 هزارم از زمان عمر خود از آغاز پیدایشش، صاحب کامپیوتر بوده است. بنابراین از این به بعد راهی برای تحمل چنین مشکلی را پیدا خواهیم کرد.

ما در 70 سال گذشته به دنبال راه‌های کاهش اندازه ترانزیستورها بوده‌ایم و حالا مسیر نوآوری در این زمینه به بن‌بست نزدیک می‌شود. اما کاهش اندازه ترانزیستورها تنها راه پیشرفت حوزه تراشه‌سازی نیست و اگر به‌جای اینکه طراحان و سازندگان تراشه تمام انرژی، وقت و سرمایه خود را صرف این موضوع کنند، روی حوزه‌های دیگری تمرکز کنند؛ ممکن است به نتیجه‌های بسیار بهتری دست پیدا کنند و حتی ممکن است در آینده پیشرفت‌های ناشی از افزایش تراکم ترانزیستورها و کاهش اندازه آن‌ها در مقایسه با نوآوری‌های جدید، پیش‌پاافتاده و ناچیز به نظر برسند.

البته تنها زمانی می‌توانیم در رابطه با این موضوع با قاطعیت سخن بگوییم که تلاش کنیم با روش‌هایی به غیر از تبعیت از قانون مور، به پیشرفت‌های مختلف در صنعت تراشه دست پیدا کنیم و در چنین مسیری به موفقیت‌های قابل‌قبولی برسیم. در یک جمله می‌توانیم بگوییم ممکن است پایان تبعیت از قانون مور، نقطه آغاز دستیابی به پیشرفت‌های جدید در صنعت ساخت تراشه از طریق روش‌های دیگر باشد.

اکنون‌که به نظر می‌رسد ادامه پیروی از قانون مور دیگر ممکن نیست؛ باید بگوییم این قانون، از ابتدا هم یک «قانون» نبود و بیشتر یک آرزوی خودشکوفایی بود. ما انتظار داشتیم تراکم ترانزیستورها ابتدا هر سال و سپس هر دو سال یکبار دو برابر شود، اکنون هم باید به دنبال راهی برای به سرانجام رساندن چنین روندی باشیم.

هر اتفاق و فناوری جدیدی در آینده صنعت تراشه می‌تواند نقطه آغاز دستیابی به فناوری‌های مبتکرانه در این صنعت و زمینه‌ساز سرعت گرفتن حرکت روبه‌جلوی آن باشد؛ از رایانش کوانتومی و هوش مصنوعی گرفته تا هر فناوری جدید دیگری که اکنون حتی تصور آن‌ها هم برای ما غیرممکن است.

در پایان باید بگوییم قانون مور به دلیل اشاره به موضوع افزایش تراکم ترانزیستورها نظر افراد را به خود جلب نکرده و افرادی که اطلاعات کمی در مورد این قانون دارند، حتی نمی‌توانند بگویند تراکم ترانزیستورها چه معنا و مفهومی دارد و اصلاً نمی‌توانند توضیح خود در مورد این قانون را با پاسخ به این سؤال آغاز کنند.

معمولاً چنین افرادی اطلاعات بسیار کمی در رابطه با این موضوع دارند و اصلاً نمی‌دانند که مثلاً چگونه ترانزیستورها با متصل شدن به یکدیگر و قفل شدن در یکدیگر مدارهای منطقی را تشکیل می‌دهند یا اینکه گوشی هوشمند چگونه کار می‌کنند (برخی از این افراد حتی نمی‌دانند ماشین‌حساب‌های جیبی متعلق به دهه ۱۹۷۰ هم چگونه کار می‌کنند). اصل بیان‌شده در قانون مور برای بسیاری از افراد تنها به معنای روش مورد انتظار برای پیشرفت در صنعت تراشه‌سازی است و اکثر افراد نمی‌توانند به فهم درست و عمیقی از این قانون دست پیدا کنند.

اگرچه قانون مور به پایان راه خود رسیده است؛ اما اگر به دنبال پیشرفت در صنعت تراشه باشیم، قانون مور جدیدی پیدا می‌کنیم.