Moore’n lain jälkeinen murros: puolijohteet uudistuvat

Keväisenä päivänä vuonna 1965 36-vuotiaan insinöörin lyhyt muistiinpano loi tahdin modernille teknologialle. Gordon Mooren havainto, että transistorien lukumäärä kasvaisi suunnilleen kaksinkertaiseksi 18–24 kuukauden välein samalla kun kustannukset laskisivät, muuttui ennusteesta lupaukseksi. Vuosikymmenten ajan tuo rytmi ajoi aikakautta: huoneen kokoiset pääkoneet väistyivät taskukokoisten tietokoneiden tieltä, joissa oli enemmän laskentatehoa kuin kuuhun ensimmäisinä saavuttaneessa avaruusaluksessa.

Lupauksilla on kuitenkin vanhentumisaikansa, joka määräytyy luonnonlakien mukaan. Transistorien pienentäminen toimi ihmeitä, kunnes mittakaavat törmäsivät atomeihin. Dennardin skaalaus takasi aikoinaan paremman suorituskyvyn ja pienemmän virrankulutuksen piirteiden kutistuessa, mutta tuo sääntö hajosi kauan ennen kuin sirut saavuttivat atomiluokan. Hyödyt, jotka vaikuttivat väistämättömiltä, alkoivat hidastua ja sitten pysähtyä.

Miten ja miksi juoksu hidastui tahmeaksi? Fysiikka, suoraviivainen ja armoton. Kun transistoreiden portit ovat vain muutaman nanometrin levyisiä, kirjaimellisesti kourallinen piiatomeja, elektronit lakkaavat käyttäytymästä siisteinä biljardipalloina. Ne käyttäytyvät aalloina. Ne tunnelöivät. Transistori, jonka pitäisi olla pois päältä, voi päästää virtaa, koska elektroni voi 'tunnelöidä' sen läpi, mikä aiemmin oli läpäisemätön este. Pienet vuodot kasaantuvat. Miljardit vuodot omaavat kytkimet yhdellä sirulla muuttavat ovelan prosessorin kompaktiksi lämmönlähteeksi.

Lämpö toi mukanaan toisen rajan: termisen seinän. Kellotaajuudet nousivat yksinumeroisista gigahertseistä kohti aiemmin käsittämättömiä lukemia, mutta noin 4–5 GHz kohdalla hyödyt katosivat. Kun nostat taajuutta, et vain laske nopeammin; saat sirun ylikuumenemaan. Tämä johti omituiseseen ja kalliin ilmiöön, jota kutsutaan pimeäksi silikoniksi, eli suuriin alueisiin sirulla, jotka on pidettävä sammutettuina milloin tahansa ylikuumenemisen välttämiseksi. Enemmän transistoreita ei enää tarkoittanut enemmän käyttökelpoista suorituskykyä.

Insinöörit eivät suostuneet hyväksymään tappiota. He muokkasivat transistoreita kolmiulotteisiksi. Vuonna 2011 teollisuus otti käyttöön FinFETin, evämäisen rakenteen, joka antaa portin hallita kanavaa useammalta sivulta ja kuristaa vuodot. FinFETit ostivat tiekartan vielä noin kymmeneksi vuodeksi, mahdollistaen 7 nm ja 5 nm solmut. Mutta solmujen lähestyessä 3 nm:tä ja sen alle, jopa FinFETit alkoivat horjua. Ratkaisu oli tiukempi syleily: GAAFETit, joissa portti kietoutuu kokonaan nanonauhojen tai nanosheetien ympärille, sulkien kaikki pakoaukot. Tällaisen atomitason veistoksen rakentaminen on yksi insinööritaidon suurista saavutuksista.

Kuitenkin fysiikka on vain puolet tarinasta. Talous kirjoitti toisen luvun. Huipputasoinen fotolitografia riippuu nyt äärimmäisen ultraviolettisäteilyn työkaluista, massiivisista koneista, joita on käytännössä mahdoton rakentaa ilman laajaa osaamista. Alankomaissa toimiva ASML on ainoa toimittaja EUV-koneille, jotka pystyvät tulostamaan 3 nm -luokan piirteitä. Kukin yksikkö kohoaa kuin linja-auto, sisältää yli satatuhatta osaa ja maksaa noin 300 miljoonaa dollaria. Moderni huippuluokan tehdas? Odota hintalappuja kymmenissä miljardeissa. Nämä luvut ovat muokanneet teollisuutta: maisema, joka aiemmin isännöi kymmeniä piivalmistajia, on keskittynyt muutamaan jättiin.

Mitä siis tapahtuu, kun et voi tehdä transistoreita loputtomiin pienemmiksi? Sääntöjä muutetaan. Teollisuus siirtyy monoliittisista, yhden koon suorittimista heterogeenisiin järjestelmiin ja sirupohjaisiin ratkaisuihin. Sen sijaan, että kaikki toiminnot pakotettaisiin yhdelle samalla solmulla valmistetulle sirulle, suunnittelijat ompelevat yhteen pienempiä palasia, sirupaloja, joita voidaan valmistaa eri prosesseilla ja integroida kehittyneellä koteloinnilla. Se on pragmaattista. Se on halvempaa. Se on joustavaa.

Myös erikoistuneet kiihdyttimet ovat nousseet keskeisiksi. Grafiikkaprosessorit, neuroprosessoriyksiköt ja alakohtaiset piirit kuten Googlen TPU:t tai Applen M-sarjan piirit osoittavat, että pelkkä transistoritiheys ei ole ainoa tie suorituskykyyn. Siirrä laskenta laitteistolle, joka on rakennettu juuri siihen matematiikkaan, ja tehokkuus nousee. Fotonikka, jossa valo korvaa osan elektronien käytöstä viestinnässä ja laskennassa, etenee myös vauhdilla, tarjoten pienempää virrankulutusta datan siirtoon. Ja mahdollisuuden ääripäässä kvanttitietokoneet tarjoavat radikaalisti erilaisen laskentamallin sen sijaan, että olisi kyse nykyisten järjestelmien yksinkertaisesta pienentämisestä.

Moore’n laki ei ole kuollut; se on uudelleenohjautunut älykkäämpiin arkkitehtuureihin, uusiin materiaaleihin ja järjestelmätason ajatteluun.

Puolijohdeteknologian tarina on siirtynyt yhdestä yksittäisestä mittarista, transistoritiheydestä, laajempaan kompromissien portfoliossa: kustannus per toiminto, energia per operaatio ja kyky koota heterogeeniset osat yhtenäisiksi järjestelmiksi. Tulevaisuus painottuu vähemmän hillittömään kutistamiseen ja enemmän nokkelaan koostamiseen: sirupalat ja 3D-pinottavuus, fotoniset yhteydet, erikoiskiihdyttimet ja ohjelmisto, joka orkestroi moninaisia komponentteja tehokkaasti.

Insinöörit eivät luovuta kvantarajoille. He suunnittelevat taistelukentän uudelleen. Kun yksi fysiikan ovi sulkeutuu, he poraavat seinään aukon tehdäkseen ikkunan. Seuraava vuosikymmen tulee näyttämään erilaiselta kuin edellinen, mutta ei vähemmän kekseliäältä, ja ehkä jopa mielenkiintoisemmalta.