Полупроводниковая отрасль ищет замену закону Мура
Спустя 61 год после первой формулировки закон Мура перестал быть надёжным производственным графиком, но отрасль не отказалась от самой идеи предсказуемого роста вычислительной мощности. Вместо одной прямой линии у чипмейкеров теперь три маршрута: дальше ужимать классические КМОП-чипы, собирать системы из разнородных чиплетов и параллельно вкладываться в фотонику, нейроморфику и другие альтернативы кремнию. Для рынка это не спор о терминах, а попытка сохранить экономику отрасли в момент, когда ИИ резко поднял спрос на ускорители, память и упаковку.
Гордон Мур в 1965 году писал о ежегодном удвоении числа компонентов на интегральной схеме. Позже отрасль несколько раз смягчала формулировку, сначала до двух лет, затем до роста производительности примерно раз в 18 месяцев. К середине 2020-х даже этот темп стал слишком дорогим, а местами и физически неудобным: каждое следующее поколение литографии, материалов и проектных инструментов требует всё больших вложений.
Отсюда и новая тройка понятий, которая закрепилась в дорожных картах IEEE и IRDS: More Moore, More than Moore и Beyond Moore. Первая схема сохраняет ставку на классическое масштабирование транзисторов. Вторая переносит акцент на упаковку и гетерогенную интеграцию. Третья описывает уже не эволюцию кремния, а возможный выход за его пределы.
Почему закон Мура держался так долго
Сила закона Мура всегда была не только в физике, но и в экономике. Пока отрасль умела размещать на кристалле больше транзисторов без сопоставимого роста себестоимости, заказчик получал более быстрый чип, а производитель сохранял маржу. Такой ритм устраивал всех: разработчиков процессоров, контрактные фабрики, производителей серверов и корпоративных клиентов, которые обновляли инфраструктуру по понятному циклу.
Этот ритм стал основой долгосрочного планирования. Под него выстраивали капитальные затраты, циклы проектирования и даже программные дорожные карты. Бывший глава Intel Брайан Кржанич ещё в середине 2010-х прямо называл закон Мура экономическим «метрономом» Кремниевой долины. Для отрасли это была удобная модель, в которой отставание от графика опаснее, чем умеренное движение вместе с рынком.
Параллельно закон Мура десятилетиями компенсировал слабую эффективность программного обеспечения. Наблюдение Никлауса Вирта о том, что программы «тяжелеют» быстрее, чем ускоряется железо, в индустрии давно стало почти бытовым. Рост аппаратной мощности позволял компаниям быстрее выпускать новые функции и сложные фреймворки, не доводя оптимизацию до предела. С этой точки зрения нынешнее замедление масштабирования создаёт проблему шире, чем у самих фабрик: оно меняет условия для всей цепочки от компиляторов до дата-центров.
Спрос со стороны ИИ сделал эту проблему заметнее. Ускорители для обучения и вывода моделей упираются не только в вычисления, но и в память, межсоединения, энергопотребление и упаковку. Именно поэтому разговор о «жизни после Мура» идёт на фоне дефицита CoWoS-упаковки у TSMC и многомиллиардных инвестиций в расширение мощностей у Intel, Samsung и SK hynix. Узким местом оказался уже не один транзистор, а вся система вокруг него.
Три маршрута после замедления масштабирования
More Moore остаётся самым понятным для индустрии сценарием. Он не отменяет кремний и КМОП, а пытается выжать из них ещё один цикл роста за счёт новых архитектур транзисторов и более сложной литографии. Intel связывает этот путь с техпроцессами 18A и 14A, TSMC с 2-нм классом, Samsung с собственной GAA-линейкой. Речь уже не о простом «уменьшении нормы», а о наборе инженерных приёмов, которые вместе дают прирост плотности и энергоэффективности.
- переход от FinFET к GAA и RibbonFET
- подача питания с обратной стороны кристалла
- внедрение High-NA EUV-литографии
- эксперименты с CFET и двумерными материалами
Каждый из этих шагов стоит дорого. По оценкам отрасли, один High-NA EUV-сканер ASML обходится более чем в 350 млн евро, а запуск современной фабрики требует десятков миллиардов долларов. Именно поэтому More Moore жизнеспособен только для ограниченного круга компаний. Барьер входа здесь вырос настолько, что реальная конкуренция в передовых нормах фактически свелась к трём игрокам.
More than Moore выглядит практичнее для ближайшего горизонта. В этой модели производительность растёт не столько из-за уменьшения каждого отдельного элемента, сколько за счёт правильной сборки системы из нескольких кристаллов. Логика, память, аналого-цифровые блоки, фотоника или специализированные ускорители могут выпускаться на разных техпроцессах и затем объединяться в одном корпусе. Это снижает зависимость от самых передовых норм там, где они реально не нужны.
Именно поэтому чиплеты за последние годы вышли из разряда нишевой технологии. AMD давно использует их в серверных EPYC, Intel продвигает Foveros и EMIB, Nvidia зависит от сложной 2.5D-упаковки для ИИ-ускорителей. В 2022 году Intel, AMD, Arm, Qualcomm, TSMC и Samsung поддержали стандарт UCIe для унификации межсоединений между чиплетами. Для рынка это важный сигнал: отрасль хочет получить не единичные проекты, а более массовую экосистему совместимых блоков.
У More than Moore есть и ещё один плюс. Он лучше подходит для киберфизических систем, где в одном устройстве нужно сочетать вычисления, сенсоры, связь и жёсткие требования по энергопотреблению. Это особенно заметно в автомобилях, промышленной автоматике, edge-ИИ и носимой электронике. Для таких рынков не всегда нужен самый маленький транзистор, зато нужен предсказуемый способ собрать разные функции в одном корпусе без взрывного роста цены.
Beyond Moore остаётся самым амбициозным и самым отдалённым маршрутом. Сюда относят фотонные вычисления, спинтронику, новые типы памяти, нейроморфные схемы и квантовые системы. Их общий смысл один: уйти от ограничений классического переноса заряда в кремнии и, возможно, от самой фон-неймановской архитектуры, которая всё хуже справляется с требованиями ИИ и систем реального времени.
Здесь больше фундаментальной науки, чем серийного производства. Фотоника уже применяется в межсоединениях дата-центров и постепенно подбирается к упаковке рядом с вычислительными кристаллами. Нейроморфные проекты есть у Intel и исследовательских центров в Европе и Азии. Квантовые вычисления получают всё больше госфинансирования, но до массовой замены обычных процессоров им далеко. Beyond Moore сегодня важен скорее как инвестиция в следующий технологический цикл, чем как способ быстро вернуть прежний темп удешевления вычислений.
На практике эти три подхода не исключают друг друга. Передовые фабрики продолжат ужимать КМОП, поставщики серверных чипов будут расширять использование чиплетов и сложной упаковки, а исследовательские бюджеты уйдут в поиск архитектур «после Мура». Вопрос в пропорциях. По нашим данным, в ближайшие пять лет центр тяжести останется у связки More Moore и More than Moore: именно она даёт понятную коммерческую модель и отвечает на текущий спрос ИИ-инфраструктуры. Beyond Moore, скорее всего, останется полем для долгих ставок, где ответ о серийной пригодности появится уже в следующем десятилетии.
