ПРЕДЕЛ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ

Актуальность нашей работы заключается в том, что микроэлектроника в современном мире играет важную роль во многих аспектах нашей жизни.

Она является одним из наиболее динамично развивающихся направлений современных технологий, играет ключевую роль в различных формах нашей жизни, включая информационные технологии, медицинское оборудование, авиацию, автомобильную промышленность.

Несмотря на свои успехи, микроэлектроника сталкивается с потенциальными вызовами, которые могут привести к замедлению или временному застою в ее развитии. Соответственно возникает проблема во временном застое прогресса, который может плохо сказаться на технологическом рынке, компаниях и жизни обычных людей.

Цель работы: изучить негативные предпосылки и последствия временного застоя в развитии микроэлектроники и доказать принципиальную возможность возникновения стагнации в её развитии. А также опровергнуть появившейся не так давно миф, предрекающий предел развития микроэлектроники.

Практическая ценность: эта работа может быть полезна инженерам, специалистам и руководителям, так как она помогает лучше понять возможные причины и последствия стагнации в развитии области микроэлектроники. Также может быть полезна для компаний и исследовательских учреждений, занимающихся данной тематикой при разработке планов развития.

В ходе работы над проектом были обозначены основные теоретические аспекты производства процессоров, являющиеся ключевыми вычислительными интегральными схемами в ЭВМ и отражающие прогресс в технологии микросхем, одна из самых сложных, изобретённых человечеством технологий как фотолитография и транзистор, мельчайший переключатель бинарной логики.

Также рассмотрены основные экономические причины застоя развития микроэлектроники.

Автор отмечает геополитическую напряжённость, возрастающую стоимость производства интегральных схем, общее падение рынка промышленной электроники всех видов, конкуренцию и сложность вхождения на мировой рынок, вывод своей продукции на потоковое производство новым стартапам и компаниям.

Полупроводниковая промышленность развивается уже очень давно и динамика рынка была постоянной. Это заметил Гордон Мур, инженер, деятель в области компьютерных технологий и сформулировал свой именной закон в 1965 году, согласно которому (в современной формулировке) количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца.

Однако формулировка закона Мура неоднократно менялась, что ставит под сомнение значение и смысл его существования. Упомянутые настоящие экономические причины стагнации отличаются от предыдущих своей масштабностью. То есть раньше рынок микроэлектроники массово повернул нашу жизнь в положительную сторону и многие проблемы были незначительными, а сегодня трудности берут верх и массово влияют на наш уровень жизни, не давая эффективно двигаться дальше. Или даже полностью останавливают ход развития.

Не только экономические причины виновны в происходящем сегодня. Развитие физики явно отстает от усложнения логики и архитектуры аппаратных средств.

Конкуренция на рынке одновременно возрастает и снижается. Компании ради увеличения прибыли и продвижения в технологическом развитии, упрощении производства вынуждены консолидироваться. Данное явление повышает корреляцию, зависимость одних компаний от других. Поэтому конкуренция снижается, потому что каждому участнику рынка становится более бессмысленно соперничать из-за распределённых обязанностей по производству оборудования. Происходит отход от ярко выраженных этапов наращивания производственных мощностей, приводивших к перепроизводству.  Но одновременно конкуренция повышается по причине невозможности малым стартапам и энтузиастам эффективно проявить себя из-за давления устоявшихся компаний. Сейчас производители ИС предпочитают модернизировать существующие мощности, а не сооружать новые для освоения очередного технологического поколения. Мы предлагаем идеи, которые способны снизить показатели корреляции, консолидации и насытить рынок новыми технологиями. Первое, замена кремния на материалы с более лучшими характеристиками. В перспективе развития мы видим арсенид галлия и нитрид галлия для получения большей производительности от процессоров.

Вторая идея, преобразовать сам принцип вычислений и логику производства микроэлектроники. Мы предлагаем заменить носителей заряда, электроны, на световое излучение. Передавать информацию при помощи света выгоднее, так как это позволяет получать широкую полосу пропускания, невосприимчивость к электрическим помехам и минимальный нагрев. Теоретический оптические соединения помогут снизить задержку, увеличить скорость взаимодействия между вычислительными блоками процессора и кэшем или же между процессором и ОЗУ. Фотоника позволяет компьютерам адаптироваться, но не решает проблему ограничений физического кремния.

А квантовые технологии теоретически могут решить все проблемы, связанные с кремнием. Квантовые компьютеры экспоненциально быстрее.

На данный момент распространена ультрафиолетовая фотолитография, которая уже подошла к своим предельным техническим возможностям по печать мельчайших транзисторов. Рентгенолитография же работает на более высокочастотном излучении, что позволит печатать более мелкие структуры. 

Корпус процессора может быть стеклянным или оптоэлектронным. 3D-структуры на основе стекла позволяют создавать сверхкороткие межсоединения и соединения с низкими RC-потерями, создавая более высокую пропускную способность по сравнению с кремниевыми интерпозерами.

Итоги с одной стороны неутешительные: Закон Мура утратил актуальность, в настоящее время отказываются от сложных разработок из-за сложностей в их внедрении. Но несмотря на это, по нашему мнению, новый фаворит производителей микросхем - интернет вещей. Для интернета вещей производительность и количество элементов на кристалле не являются критическими конкурентными преимуществами, зато малое энергопотребление и дешевизна являются. Поэтому нас ждёт время активного распространения и усложнения технологий по всему миру, не смотря на временную стагнацию и разговоры о полной остановке развития не имеют под собой объективной доказательной основы.