زندگی‌ چندگانه قانون مور - بخش پایانی

این مطلب یکی از مقالات پرونده ویژه «پنجاه سالگی قانون مور» است. برای دانلود رایگان کل این پرونده ویژه اینجا را کلیک کنید. 

با نگاهی دوباره به آن مقاله معروف و مهم، می‌توان جزيياتی را بيان کرد که اغلب ناديده گرفته شده‌اند. نخست اين‌که پيش‌بينی مور تقريباً شمار اجزای الکترونيکی را مد نظر داشت؛ يعنی، نه فقط ترانزيستورها بلکه قطعه‌هایی مانند مقاومت، خازن‌ها و ديودها را نيز شامل می‌شد. در بسياری از مدارهای مجتمع اوليه شمار مقاومت‌ها عملاً بيش از تعداد ترانزيستورها بود. پس از آن نيز مدارهای نيمه‌رسانای اکسيد آهن (MOS) ساخته شدند که کم‌تر به بخش‌های غيرترانزيستوری وابسته بودند و دوران ديجيتال آغاز شد. ترانزيستورها در اين صنعت سيطره يافتند و شمار آن‌ها به معياری برای سنجش پيچيدگی مدارهای مجتمع تبديل شد.مقاله مور همچنين نشان می‌دهد که او به پيامدهای اقتصادی يک‌پارچه‌سازی نيز توجه ويژه‌ای داشته ‌است. او شمار اجزای هر تراشه را نه با توجه به بيشينه يا ميانگين آن‌ها، بلکه با توجه به کم‌ترين هزينه هر جزء تعريف کرد. او دريافت شمار اجزایی که روی يک تراشه کنار هم چيده می‌شوند و شمار اجزایی که چينش آن‌ها از نظر اقتصادی توجيه‌پذير است، الزاماً يکسان نيستند. بلکه برای هر نسل از فناوری توليد تراشه معيار متفاوتی وجود دارد. هرچه قطعه‌های بيش‌تری را در تراشه جای دهيد، هزينه قطعه را کاهش خواهید داد. پس از گذر از يک نقطه مشخص، تلاش برای کنار هم چيدن ترانزيستورهای بيش‌تر در فضای موجود می‌تواند ايرادهای جدی به‌دنبال داشته ‌باشد و بازده تراشه‌های کارآمد را کاهش دهد. در آن‌جا است که روند افزايش هزينه هر جزء آغاز خواهد شد. هدف از طراحی مدار مجتمع و توليد آن دستيابی به تعادل بهينه سود و هزينه بود و اکنون نيز چنين است. هرچه فناوری توليد تراشه ارتقا يافته ‌است، توجه به تناسب سود و هزينه نيز بيش از پيش به افزايش شمار اجزای تراشه و کاهش هزينه هر جزء متمايل شده ‌است. در 50 سال گذشته، هزينه هر ترانزيستور از 30 دلار (برحسب ارزش کنونی) به حدود يک نانودلار (يک ميلياردم دلار) کاهش يافته است. با اين‌که مور به‌سختی می‌توانست چنين کاهش قيمت شديدی را پيش‌بينی کند، اما در سال 1965 پی برد که مدارهای مجتمع از قطعه‌های مجزای گران و البته کارآمد به قطعه‌ای ارزان و باز هم کارآمد تبديل خواهند شد و با يک‌پارچه‌ شدن روی تراشه هم کارایی و هم صرفه اقتصادی را با هم به ‌ارمغان خواهد آورد. ده سال پس از آن مور در پيش‌بينی خود بازنگری کرد و آن‌ را اندکی تغيير داد. او در يکی از تحليل‌های خود در سال 1975 ضمن شرکت در نشست IEEE International Electron Devices Meeting سخن خود را با طرح اين پرسش آغاز کرد: «دو برابر شدن اجزای تراشه عملاً چگونه اتفاق می‌افتد؟» او گفت سه چيز در اين روند نقش دارد؛ کاهش اندازه اجزای تراشه، افزايش مساحت تراشه و تردستی در قطعه. مورد اخير يعنی مهندسان تا کجا می‌توانند فاصله بی‌استفاده ترانزيستورها از هم را کاهش دهند. به‌نظر مور نيمی از روند دو برابر شدن شمار اجزای هر تراشه به دو مورد نخست بستگی دارد و نيم ديگر به تردستی در قطعه. اما درباره حافظه‌های CCD که اينتل خود را برای عرضه آن‌ها آماده می‌کرد، نظرش اين بود که نقش «تردستی در قطعه» به‌زودی کاهش خواهد يافت. در آرايه‌های CCD، قطعه‌ها به‌صورت شبکه‌های به‌هم ‌فشرده کنار هم چيده می‌شوند و هيچ فضایی هدر نمی‌رود. از اين ‌رو، او پيش‌بينی کرد به‌زودی زمانی فرا می‌رسد که دو برابر شدن اجزای تراشه فقط به ساخته‌ شدن ترانزيستورهای ريزتر و تراشه‌های بزرگ‌تر بستگی خواهد داشت. در نتيجه، روند دو برابر شدن اجزای تراشه 50 درصد کندتر خواهد شد و هر دو سال يک‌ بار اتفاق خواهد افتاد، نه هر سال. 
شگفت‌انگيز اين‌که حافظه CCD نشان داد مستعد ايرادهای زيادی است و از اين ‌رو اينتل هرگز يک قطعه از آن‌ها را نيز به بازار عرضه نکرد. اما پيش‌بينی مور درباره تراشه‌های منطقی، از جمله ريزپردازنده‌ها که از اوايل دهه 1970 تاکنون شمار اجزای آن‌ها هر دو سال يک ‌بار تقريباً دو برابر شده ‌است، همچنان معتبر ماند. تراشه ‌حافظه‌ها با آرايه‌های انبوهی از ترانزيستورهای يکسان سريع‌تر تغيير مقياس دادند و تقريباً هر 18 ماه يک ‌بار دو برابر شدند. علت آن طراحی ساده‌تر آن‌ها است. 
از سه مورد فوق که فناوری را به پيش می‌بردند و مور آن‌ها را (در دگرگون کردن صنعت تراشه‌سازی) مؤثر می‌دانست، يکی از آن‌ها اهميت ويژه‌ای يافت؛ کاهش ابعاد ترانزيستور. کوچک‌تر شدن ترانزيستورها (دست‌کم برای مدتی) موجب بروز پديده‌ای شد که در جهان مهندسی به‌ندرت اتفاق می‌افتد؛ نبود trade-off، به‌عبارتی بی‌تعادلی دو مورد مطلوب اما ناسازگار. اصول جاری در حيطه کاهش مقياس که رابرت دنارد از مهندسان آی‌بی‌ام آن‌ را مطرح کرد می‌گويد که هر نسل جديد از ترانزيستورها بهتر از نسل پيشين است. ترانزيستور کوچک‌تر هم ريزقطعه‌های بيش‌تری را روی خود جای می‌دهد و هم سريع‌تر و کم‌مصرف‌تر است. بخش عمده‌ای از اعتبار کنونی قانون مور مرهون همين مورد اخير است و تاکنون به دو صورت مختلف نمود يافته ‌است. در روزهای نخست (دورانی که آن‌ را قانون مور1 می‌خوانم) پيش‌رفت‌های موجود ناشی از افزايش اندازه ترانزيستور و شمار ريزقطعه‌های تراشه بود. در آغاز، هدف اين بود که اجزای مجزا و مستقل از هم با هم ترکيب و به‌صورت يک قطعه فشرده و يک‌پارچه و ارزان ارائه شوند. در نتيجه، تراشه‌ها بزرگ‌تر و پيچيده‌تر شدند. ريزپردازنده که در اوايل دهه 1970 پديد آمد، به الگوی اين دوران بدل شد. 

در چند دهه گذشته، پيش‌رفت صنعت نيمه‌رسانا از نسخه دوم قانون مور، يعنی قانون مور 2  ناشی شده ‌است. تقريباً برخلاف دوره نخست، آن‌چه در اين دوران روی داد، به کاهش اندازه و هزينه ترانزيستور انجاميد، حتی وقتی شمار ترانزيستورهای تراشه ثابت می‌ماند. 
با اين‌که دوران قانون مور 1 و 2 هم‌پوشانی داشتند، سيطره دوران کاهش اندازه بر افزايش اندازه (تراشه‌) را می‌توان به ‌همان گونه‌ای که صنعت نيمه‌رسانا نشان می‌دهد، مشاهده کرد. در دهه 1980 و اوايل دهه 1990، نسل‌های فناوری (Nodes) که بازگوکننده پيش‌رفت اين صنعت به‌شمار می‌آيند، به اسم حافظه‌های RAM دايناميک هم‌عصر خود خوانده شدند: برای مثال، نسل 5 مگابايتی حافظه DRAM در سال 1989 و نسل 16 مگابايتی در سال 1992. هرچه بر شمار ترانزيستورها افزوده می‌شد و قيمت‌شان ثابت می‌ماند، هر نسل ظرفيت بيش‌تری می‌يافت. 
در اوايل دهه 1990، انتخاب اسم برای هر نسل از تراشه‌ها زمانی آغاز شد که برای کاهش اندازه ترانزيستورها از تمهيدات ويژه‌ای بهره بردند. اين رويه طبيعی بود. در بيش‌تر تراشه‌ها نياز نبود حداکثر تعداد ترانزيستورهای ممکن پیاده شود. مدارهای مجتمع در حال همه‌گير شدن بودند و به درون خودروها و اسباب‌بازی‌ها قدم می‌نهادند. هرچه اين روند تداوم می‌يافت، اندازه ترانزيستور (و در پی آن کارایی و کاهش هزينه آن‌) به معيار معنادارتری برای سنجش بدل می‌شد. 
سرانجام، هم‌گام با پيش‌رفت فناوری توليد تراشه، حتی روند افزايش اندازه ريزپردازنده‌ها نيز متوقف شد. صنعت تراشه‌سازی اينک به ‌ما اجازه می‌دهد تا بيش از 10 ميليارد تراشه را به‌گونه‌ای مقرون ‌به‌صرفه روی يک تراشه منطقی بچينيم. اما فقط اندکی از تراشه‌های کنونی اين تعداد ترانزيستور دارند، علت عمده‌اش اين است که طرح ‌تراشه‌های ما عموماً نتوانسته‌اند با اين تعداد ترانزيستور هماهنگ شوند. قانون مور 1 هنوز در پردازنده‌های گرافيک (جی‌پی‌يو)، مدار‌های مجتمع ديجيتال برنامه‌پذير و شايد معدودی از ريزپردازنده‌های ويژه ابرکامپيوترها اعتبار خود را پاس داشته ‌است، اما حيطه‌های ديگر در سيطره قانون مور 2 است. اينک اين قانون باز هم در حال دگرگونی است. اين دگرگونی ناشی از آن است که مزيت‌های کوچک‌سازی رفته‌رفته به بن‌بست می‌رسد. اين روند در اوايل دهه 2000 و با نمايان شدن واقعيتی تلخ آغاز شد. در آن زمان، اندازه ترانزيستور روند کاهشی خود را تا رسيدن به کم‌تر از 100 نانومتر آغاز کرد و قانون ساده مقياس‌پذيری دنارد به محدوديت‌های خود نزديک شد. ترانزيستورها آن‌قدر کوچک شدند که حتی وقتی قطعه‌ها بايد خاموش می‌شدند، الکترون‌ها به‌سادگی می‌توانستند از آن‌ها عبور کنند و اين ‌کار باعث نشت برق و کاهش اطمينان‌پذيری قطعه می‌شد. با اين‌که مواد و فناوری‌های جديد در صنعت توليد تراشه به حل اين مشکل کمک کردند، اما مهندسان بايد روند کاهش چشم‌گير ولتاژ مورد نياز هر ترانزيستور را متوقف می‌کردند تا شدت جريان الکتريکی را ثابت نگه دارند. 

او پيش‌بينی کرد به‌زودی زمانی فرا می‌رسد که دو برابر شدن اجزای تراشه فقط به ساخته‌ شدن ترانزيستورهای ريزتر و تراشه‌های بزرگ‌تر بستگی خواهد داشت. در نتيجه، روند دو برابر شدن اجزای تراشه 50 درصد کندتر خواهد شد و هر دو سال يک‌ بار اتفاق خواهد افتاد، نه هر سال. 

به‌علت فروپاشی قانون تغيير مقياس دنارد، کوچک‌سازی ترانزيستورها به ناسازگاری‌های زيادی انجاميده ‌است. کوچک‌سازی ترانزيستور ديگر به افزايش سرعت و کارایی آن کمک نمی‌کند. در واقع، کوچک‌سازی ترانزيستورهای امروزی و ثابت نگه داشتن سرعت و مصرف آن‌ها نيز بسيار سخت است، چه رسد به اين‌که بخواهيم سرعت آن‌ها افزايش و کارکرد برق‌شان کاهش بيابد. نتيجه آن‌که در دهه گذشته قانون مور بيش‌تر در حيطه هزينه اهميت داشته‌ است تا کارایی. ما ترانزيستورهای کوچک‌تری می‌سازيم تا قيمت‌شان کاهش يابد. البته معنی‌اش اين نيست که ريزپردازند‌های 5 يا 10 سال پيش از ريزپردازنده‌های کنونی بهتر هستند. در بعضی حيطه‌ها طراحی ارتقا يافته ‌است، اما بخش عمده دستاوردهای مربوط به کارایی نتيجه يک‌پارچه‌سازی چند هسته است که خود از ارزان‌تر شدن ترانزيستورها ناشی می‌شود. 
يکی از ويژگی‌های مهم و پيش‌رو قانون مور باعث شده ‌است تا موارد اقتصادی همچنان اهميت داشته ‌باشند. هرچه ترانزيستورها کوچک‌تر می‌شوند، ما نيز می‌توانيم هزينه توليد هر سانتی‌متر مربع از سيليکون نهایی را هر سال تقريباً ثابت نگه داريم (دست‌کم تاکنون که چنين بوده ‌است). مور هزينه آن‌ را در هر جريب، حدود يک ميليارد دلار برآورد کرده ‌است. البته تراشه‌سازان به‌ندرت از واحد سنجش جريب استفاده می‌کنند. 
ثابت نگه داشتن قيمت سيليکون نهایی به‌مدت چند دهه کار ساده‌ای نبوده ‌است. تلاش‌های مداومی صورت گرفت تا اين دستاورد حاصل شود. اين تلاش‌ها در دهه 1970 با نسبت سود به هزينه تقريباً 20 درصدی آغاز شد و اينک 80 تا 90 درصد است. ويفرهای سيليکونی - صفحه‌های گرد سيليکون - که سرانجام در اندازه تراشه‌ها برش می‌خورند نيز بزرگ‌تر و بزرگ‌تر شدند. اين شتاب فزاينده در گستره‌افزایی تراشه‌ها هزينه شماری از مراحل توليد مانند صدور گواهی‌ و برش را که به يک‌باره روی کل يک ويفر اعمال می‌شود، کاهش داد. ظرفيت توليد تجهيزات کارخانه‌ها افزايش يافته ‌است. هزينه ابزارهای مورد استفاده در ليتوگرافی (فناوری چاپ که برای پياده‌سازی ترانزيستورها و اتصال‌های آن‌ها به‌کار می‌رود) 35 سال پيش صد برابر ميزان کنونی بود. اما اين ابزارها ويفرها را صد بار سريع‌تر نقش‌زنی و به‌علت دقت بسيار بيش‌تر هزينه زياد خود ‌را جبران می‌کنند. 

تراشه‌سازان با توجه به همين سه مؤلفه- بهبود نسبت سود به هزينه، ساخت ويفرهای بزرگ‌تر و افزايش ظرفيت توليد تجهيزات کارخانه - توانسته‌اند در چند دهه گذشته تراشه‌ها را هرچه پرچگال‌تر بسازند. همچنین، هزينه توليد تراشه به‌ازای مساحت را تقريباً ثابت نگه دارند و هزينه هر ترانزيستور را کاهش دهند. اکنون به‌نظر می‌رسد اين روند به پايان خود نزديک می‌شود و علت عمده اين است که هزينه ليتوگرافی (چاپ) افزايش يافته ‌است. در طی دهه گذشته، سختی‌های چاپ اجزای تراشه باعث شد هزينه توليد به‌ازای مساحت سيليکون هر سال تقريباً 10 درصد افزايش يابد. از آن‌جا که مساحت به‌ازای ترانزيستور سال به سال حدود 25 درصد کاهش يافته ‌است، هزينه هر ترانزيستور نيز رو به کاهش نهاده ‌است. 
هزينه‌های توليد سريع‌تر از کاهش قيمت مساحت ترانزيستور افزايش می‌يابد و نسل آتی ترانزيستورها گران‌تر از نسل پيش از خود خواهد بود. اگر هزينه‌های ليتوگرافی به‌سرعت افزايش يابد، اعتبار قانون مور همان گونه که می‌دانيم به‌سرعت پايان خواهد يافت و نشانه‌هایی وجود دارد که اين پايان به‌زودی فراخواهد رسيد. تراشه‌های پيش‌رفته کنونی با ليتوگرافی فشرده ساخته می‌شوند که در آن‌ برای پياده‌سازی الگوها روی ويفر از پرتو فرابنفش 193 نانومتری استفاده می‌شود. گفته می‌شود در ليتوگرافی نسل آتی تراشه‌ها از پرتو شديدتر فرابنفش با طول موج کوتاه‌تر استفاده خواهد شد. قرار بود اين فناوری در سال 2004 به‌کار گرفته شود، اما بارها به‌تعويق افتاد و در نتيجه تراشه‌سازان برای پر کردن اين وقفه‌های زمانی از نقش‌زنی دو برابری (Double patterning) بهره بردند که ضمن آن برخی از مراحل دو بار تکرار می‌شود تا بر مرغوبيت کالا افزوده ‌شود. نقش‌زنی دو برابری، دو برابر زمان بيش‌تر می‌برد. با اين‌ همه، تراشه‌سازان در انديشه سه و چهار برابر کردن نقش‌زنی هستند که باز هم از هزينه‌ها خواهد کاست. تا چند سال ديگر شايد با نگاه به سال 2015، اين سال دوره ايجاد دگرگونی و توقف کاهش هزينه‌ها و افزايش دوباره آن‌ها باشد. من به اظهارنظرهای صريح درباره فرارسيدن پايان قانون مور در کنفرانس‌های ليتوگرافی معروف هستم. اما واقعيت اين است که فکر نمی‌کنم قانون مور به‌پايان برسد، بلکه گفته‌‌ام که باز رو به دگرگونی می‌رود. هرچه پيش می‌رويم، نوآوری‌ها در نيمه‌رساناها تداوم خواهد يافت، اما هزينه ترانزيستورها به‌صورت سامان‌مند کاهش نخواهد يافت، بلکه پيش‌رفت در اين حيطه با گونه‌های جديدی از يک‌پارچه‌سازی تعريف خواهد شد؛ گرد آوردن توانمندی‌های مجزا روی يک تراشه برای کاهش هزينه سيستم که ممکن است بسيار شبيه دوران قانون مور 1 باشد. البته درباره يک‌پارچه‌سازی قطعه‌های مجزای منطقی سخن نمی‌گوييم، بلکه درباره يک‌پارچه‌سازی توابع غيرمنطقی حرف می‌زنيم که از نظر تاريخی از تراشه‌های سيليکونی مجزا مانده بودند. 

در ليتوگرافی نسل آتی تراشه‌ها از پرتو شديدتر فرابنفش با طول موج کوتاه‌تر استفاده خواهد شد. قرار بود اين فناوری در سال 2004 به‌کار گرفته شود، اما بارها به‌تعويق افتاد و در نتيجه تراشه‌سازان برای پر کردن اين وقفه‌های زمانی از نقش‌زنی دو برابری (Double patterning) بهره بردند که ضمن آن برخی از مراحل دو بار تکرار می‌شود تا بر مرغوبيت کالا افزوده ‌شود. 

يکی از نمونه‌های اخير در اين ‌باره، دوربين‌های مدرن موبايل است که در آن حس‌گر تصوير با استفاده از سيم‌‌‌کشی گسترده عمودی مسی موسوم به گذرگاه‌های درون سيليکونی مستقيماً روی سيگنال‌پرداز ديجيتال پياده می‌شود. در آينده، مثال‌های ديگری را نيز می‌توان برشمرد. طراحان تراشه کنکاش درباره چگونگی يک‌پارچه‌سازی ريزسامانه‌های الکترومکانيک را آغاز کرده‌اند تا بتوان برای ساخت شتاب‌سنج‌ها، ژيروسکوپ‌ها و... از آن بهره برد. همچنين، ريزحس‌گرهای سيال که برای برآوردهای بيولوژيک و آزمايش‌های زيست‌محيطی به‌کار می‌روند. همه اين فناوری‌ها اجازه می‌دهند تا يک تراشه ديجيتال CMOS مستقيماً به بيرون و گستره آنالوگ متصل شود. اگر حس‌گرها و اکتواتورهای جديد بتوانند از مزيت هزينه کم و رويکردهای توليد انبوه در صنعت توليد سيليکون بهره ببرند، اين مورد می‌تواند نتايج اقتصادی زيادی در پی داشته ‌باشد.
اين دوران جديد از قانون مور - که آن‌ را قانون مور 3 می‌خوانم و ديگر دوره‌ها در صنعت نيمه‌رسانا موسوم به «فرامور» - شايد توجيه اقتصادی نداشته‌ باشند. يک‌پارچه‌سازی اجزای غيرمعمول روی يک تراشه موقعيت‌ها و ظرفيت‌های بسيار جالبی را برای محصولات جديد فراهم می‌کند، اما نقشه‌ و دورنمای قانون‌مند و پيش‌بينی‌پذيری ندارد که موفقيت‌های مداوم آن‌ را تضمين کند. آن‌چه در پيش است، بسيار ناواضح‌تر است. 
افزودن يک توانمندی جديد به يک تراشه می‌تواند يک شرکت را ثروتمند کند، اما هيچ تضمينی وجود ندارد که افزودن يک توانمندی ديگر در آينده نيز همين دستاورد را به‌دنبال داشته ‌باشد. اين روند سختی‌ها و برای شرکت‌های نيمه‌رسانا برنده‌ها و بازنده‌های خود را خواهد داشت. هنوز فکر می‌کنم قانون مور3 می‌تواند نمود جذاب‌تری از اين قانون باشد. وقتی انتظارات برای پيش‌رفت سنجش‌پذير به واقعيت بدل شود، می‌توانيم انبوهی از کاربردهای نوآورانه را برای آن تصور کنيم. از جمله اسمارت‌فون‌هایی که می‌توانند هوا را بو بکشند يا آب را آزمایش کنند، حس‌گرهای کوچکی که می‌توانند خود را از انرژی‌های موجود در محيط شارژ کنند و ديگر کاربردهایی که می‌توان تصور کرد. قانون مور همان گونه که می‌دانيم شايد به‌پايان برسد، اما تأثیر آن تا مدت‌ها ما را به‌پيش خواهد برد.