DigiTimes: с 2004 года кремниевые пластины TSMC подорожали в 10 раз

Сегодня авторитетное тайваньское издание DigiTimes опубликовало график изменения цен на кремниевые пластины TSMC с 2004 года по настоящее время. Как видим, следование закону Мура обходится недешево: за последние 18 лет цены выросли с $2 тыс за 90-нм пластину до $20 тыс за 3-нм, т.е. в 10 раз.

Очевидно, что рост цен обусловлен всё большими капиталовложениями, необходимыми для производства пластин с передовым техпроцессом. Например, строительство в Аризоне (США) завода TSMC, где с 2024 будут производиться 5-нм пластины (с последующим освоением 3-нм техпроцесса) оценивается в $12 млрд. При этом капитальные вложения в производственные мощности на 50 тыс пластин в месяц, по оценкам того же источника, выросли с $20 до $160 млн, т.е. в 8 раз.

Что касается закона Мура как такового (эмпирического наблюдения, согласно которому количество транзисторов удваивается каждые два года), то, например, в видеокарте Nvidia GeForce 7950 GTX (90 нм, август 2006) плотность размещения транзисторов на 1 мм² составляла 1.4 млн, а в GeForce RTX 4090 (4 нм, сентябрь 2022) — 125.5 млн. Таким образом, плотность размещения транзисторов при переходе с 90 нм на 4 нм (который сопровождался примерно 8-кратным увеличением инвестиций в производство и 10-кратным увеличением цен на кремниевые пластины) выросла в 90 раз. Общее количество транзисторов на кристалле ГПУ топовой видеокарты Nvidia с 2006 по 2022 увеличилось с 278 млн до 76.3 млрд, т.е. в 274 раза. С точки зрения закона Мура за этот период рост должен быть 256-кратным, до 71.2 млрд. Таким образом, пока закон Мура вполне соблюдается — во всяком случае на примере ГПУ топовых видеокарт Nvidia. Любопытно, однако, что с 2017 года глава компании Дженсен Хуанг неоднократно провозглашал кончину закона Мура — оправдывая таким образом повышение цен на видеокарты Nvidia.

В ближайшие лет десять уменьшение размеров транзисторов скорее всего продолжится, но в более далекой перспективе действие закона Мура под большим вопросом, поскольку упирается не только в финансы, но и законы физики. Однако не стоит забывать, что производительность определяется не только размерами транзисторов — до середины 2000х годов её рост обеспечивало ещё и наращивание тактовой частоты. Например, Intel 8086 (1978) имел частоту до 16 МГц, а Intel Core 2 Duo (2006) — почти до 3 ГГц, что всего вдвое меньше пиковых значений у современных процессоров. Кардинально повысить частоту позволит в том числе переход с кремния на какой-нибудь другой материал — например, графен. В 2010 году IBM представила прототип, чья тактовая частота достигла невообразимых 100 ГГц. Однако эта технология имеет ряд недостатков:

Как объясняет руководитель исследования, одно из главных препятствий здесь в том, что графеновые транзисторы не рассчитаны на обработку дискретных электронных сигналов. Графен — материал с нулевой запрещенной зоной, это означает отсутствие разницы в энергиях между проводящим и непроводящим состоянием вещества, в связи с чем графеновые транзисторы нельзя включать и выключать как обычные. Для сравнения, запрещенная зона кремния составляет 1 электрон-вольт, что делает его хорошо подходящим для обработки дискретных сигналов. Графен более пригоден для изготовления аналоговых транзисторов, применяемых, например, в сигнальных процессорах и усилителях. Сегодня микросхемы для подобных устройств выполняются главным образом из арсенида галлия, у которого подвижность электронов гораздо ниже, чем у графена.

Компьютерный мир

Судя по отсутствию громких новостей, особых подвижек с тех пор не было. Тем не менее, особый интерес к этому направлению проявляет Китай, где на днях прошла 9-я ежегодная конференция, посвященная инновациям в области графена (International Graphene Innovation Conference, GRAPCHINA 2022). А летом этого года британские власти наложили вето на предпринятую Shanghai Kington Technologies и другими китайскими компаниями попытку приобрести стартап Perpetuus Applied Materials, который занимается разработками в области графеновых и углеродных нанотрубок.