Рост числа транзисторов в чипах продолжает следовать закону Мура

Препятствия на пути развития полупроводникового производства уже напоминают не барьеры, а высоченные стены. И всё же отрасль шаг за шагом движется вперёд, следуя выведенному 55 лет назад эмпирическому закону Гордона Мура. Пусть с оговорками, но число транзисторов в чипах продолжает удваиваться каждые два года.

Чтобы не быть голословными аналитики компании IC Insights опубликовали отчёт о состоянии рынка полупроводников в 2020 году. Отчёт включает историю развития основных рынков с 71 года: памяти DRAM, памяти NAND-флеш, микропроцессоров и графических процессоров.

Аналитики отмечают, что за последние 10–15 лет такие факторы, как энергопотребление и ограничения масштабирования начали сильно влиять на темпы роста числа транзисторов в некоторых интегральных продуктах. Но в целом новые разработки и новые подходы к проектированию и производству чипов позволяют рассчитывать на дальнейшее сохранение закона Мура.

Так, количество транзисторов в микросхемах оперативной памяти DRAM в начале 2000-х годов увеличивалось со средней скоростью примерно на 45 % в год, но с 2016 года замедлилось до 20 % в год после появления 16-Гбит кристаллов памяти компании Samsung. Стандарт DDR5, который все еще дорабатывается JEDEC, будет включать в себя монолитные устройства объёмом 24 Гбит, 32 Гбит и 64 Гбит, а это новый рывок вперёд.

Ежегодный рост плотности флеш-памяти до 2012 года оставался на уровне 55–60 % в год, но с тех пор снизился до 30–35 % в год. Для планарных кристаллов флеш-памяти наивысшая плотность составила 128 Гбит (данные по январь 2020 года). Зато максимальная плотность чипа 3D NAND достигла 1,33 Тбит для 96-слойной памяти с записью четырёх бит в каждую ячейку (QLC). До конца года обещают появиться 1,5-Тбит 128-слойные микросхемы, с последующим ростом ёмкости до 2 Тбит.

Количество транзисторов в микропроцессорах Intel для ПК до 2010 года росло примерно на 40 % в год, но в последующие годы этот показатель снизился вдвое. Количество транзисторов продолжает расти в серверных процессорах компании. Этот рост приостановился в середине-конце 2000-х годов, но затем снова продолжился со скоростью около 25 % в год. Intel перестала раскрывать детали подсчета транзисторов в 2017 году.

Количество транзисторов в прикладных процессорах компании Apple в смартфонах iPhone и планшетах iPad с 2013 года увеличивалось на 43 % в год. Этот показатель включает в себя данные о процессоре A13 с его 8,5 миллиардами транзисторов. Ожидается, что в первой половине 2020 года Apple представит iPad Pro на базе нового процессора A13X.

Высокопроизводительные графические процессоры компании NVIDIA имеют предельно высокое количество транзисторов. В отличие от микропроцессоров, графические процессоры с их высочайшей степенью архитектурного параллелизма не содержат значительного объема кеш-памяти, что оставляет очень много места для логики (транзисторов). Дальнейший акцент компании на ускорители для машинного обучения и ИИ только подогреет данную тенденцию.