मूर का नियम - क्या यह वास्तव में मर चुका है?



'Moore's Law' is a term coined in 1965 by Gordon Moore, who presented a paper which predicts that semiconductor scaling will allow integrated circuits to feature twice as many transistors present per same area as opposed to a chip manufactured two years ago. That means we could get same performance at half the power than the previous chip, or double the performance at same power/price in only two years time. Today we'll investigate if Moore's Law stayed true to its cause over the years and how much longer can it keep going. पांच दशक से अधिक समय तक मूर के कानून के शासन ने काम किया है, यदि रेखा खींची जाएगी तो उपरोक्त ग्राफ लगभग रेखीय दिखाई देगा। अपनी लीनियरिटी से दूर जाने वाली रेखा कभी-कभी निर्माण में आने वाली हिचकी होती है जिससे उद्योग को निपटना पड़ता था और अंत में वह दूर हो जाती थी। इतिहास के माध्यम से, मूर के कानून को घोषित किया गया और कई बार मृत होने की भविष्यवाणी की गई, क्योंकि उद्योग ने उप-माइक्रोन आकारों से संपर्क किया। 1 बजे से शुरू होने से, कई लोग कानून की व्यवहार्यता में संदेह करने लगे और यह कितनी अच्छी तरह से पकड़ में आ जाएगा, लेकिन समय ने इन लोगों को गलत साबित कर दिया है और हम अब पहले से ही 7 एनएम नोड पर आधारित उत्पादों का उपयोग कर रहे हैं।

चुनौती
क्या वास्तव में कानून को रोकने की कोशिश कर रहे हैं तीन चीजें हैं: लिथोग्राफी, अशुद्धियां और पैमाने की अर्थव्यवस्थाएं।

पता करने के लिए पहली समस्या परमाणु स्तर पर पाई जाने वाली अशुद्धियाँ हैं। सिलिकॉन विनिर्माण ढलाईकार एक बड़ी क्रिस्टल संरचना बनाने के लिए क्वार्ट्ज रेत को पिघला रहे हैं जिसे वेफर्स में काट दिया जाता है। जब रेत पिघल जाती है, तो अशुद्धियां अपरिहार्य हैं। यह इस तथ्य के कारण है कि सिलिकॉन बनाने के लिए हैलोजन (फ्लोरीन, क्लोरीन, ब्रोमीन, और आयोडीन) से हलाइड बनाने में आसानी से प्रतिक्रिया होती है। उन हलों को अधिक रसायनों का उपयोग करके हटा दिया जाता है जो उन्हें भंग कर देते हैं और उन्हें हटा देते हैं ताकि वेफर्स बनाने के लिए एक बड़ा क्रिस्टल निकाला जा सके। 'इन अशुद्धियों को दूर करने के कारण क्या समस्या है?', आप पूछ सकते हैं। एक व्यक्तिगत ट्रांजिस्टर का आकार जितना छोटा होता है, संभावना बेहतर होती है कि पिछली सफाई से छोड़ी गई अशुद्धियों का एक छोटा परमाणु भी मौजूद होगा और एक ट्रांजिस्टर अनुपयोगी हो जाएगा।

पता करने के लिए दूसरी समस्या लिथोग्राफी है। ट्रांजिस्टर बनाने के लिए, आपको उन्हें एक सिलिकॉन वेफर पर प्रिंट करना होगा। यह मुखौटा नामक एक सांचे के माध्यम से प्रकाश को चमकाने के द्वारा किया जाता है, जो सिलिकॉन में प्रवेश करता है और पैटर्न को एक वेफर में बदल देता है। स्वाभाविक रूप से, जैसा कि आप अपने ट्रांजिस्टर के आकार को कम करते हैं, आपको अपना मुखौटा छोटा करना होगा। मुखौटा जितना छोटा होता है, उतना ही कठिन होता है इसे बनाने के लिए (आप आकार को कम करने के साथ यहां एक निश्चित पैटर्न को नोटिस करना शुरू करते हैं)। तो इस समस्या को हल करने के लिए, अर्धचालक उद्योग ने एक मल्टी-पैटर्निंग तकनीक बनाई है जो नक़्क़ाशी की प्रक्रिया को बढ़ावा देने के लिए नक़्क़ाशी प्रक्रिया में कई मोड़ लेती है। हालांकि, अक्सर कई बार यह दृष्टिकोण पर्याप्त नहीं होता है और यूवी लाइट को सिलिकॉन को डिजाइन करने में परेशानी होती है। इस तरह एक्सट्रीम यूवी या ईयूवी लिथोग्राफी का जन्म हुआ। यह एक मजबूत प्रकाश का उपयोग करता है
डिज़ाइन को बेहतर ढंग से खोदने के लिए एक छोटी तरंग दैर्ध्य के साथ स्रोत और इस तरह छपाई को सामना करने वाली त्रुटियों को कम कर सकते हैं। वास्तव में यहाँ क्या समस्या है, वह प्रकाश नहीं है जो मास्क से होकर गुजरता है, यह मास्क ही है। मास्क महत्वपूर्ण डिज़ाइन तत्व है क्योंकि यह आपके डिज़ाइन को सिलिकॉन में स्थानांतरित करता है। यदि आप सटीक और छोटे मुखौटे नहीं बना सकते हैं, तो आपको एक काम करने वाली चिप नहीं मिल सकती है। इस प्रकार, मुखौटा बनाना एक और महत्वपूर्ण कदम है जो मूर के कानून को कठिन बनाता है। तीसरी और अंतिम समस्या है पैमाने का अर्थशास्त्र। यही वह जगह है जहां कम ज्ञात मूर का दूसरा कानून आता है, जो भविष्यवाणी करता है कि एक नई विनिर्माण सुविधा स्थापित करने की लागत भी हर दो साल में दो गुना अधिक महंगी हो रही है। आज एक नया फैब बनाने के लिए, कंपनियां अरबों डॉलर खर्च कर रही हैं। इंटेल ने एरिज़ोना में अपने फैब नंबर 42 में $ 12B से अधिक का निवेश किया है, जिसे किसी दिन 7 एनएम चिप्स का निर्माण करना है। एक नई फैब को खोलने के लिए आवश्यक विशाल पूंजी के अलावा, कंपनियों को अपनी अर्धचालक नोड प्रक्रिया विकसित करने की आवश्यकता है। चीजों को परिप्रेक्ष्य में रखने के लिए, उद्योग की अटकलें हैं कि 5 एनएम और नीचे से शुरू, अकेले आर एंड डी के लिए पांच बिलियन डॉलर से अधिक की आवश्यकता है। यही कारण है कि सैमसंग, इंटेल, और टीएसएमसी - केवल तीन फाउंड्री 7 एनएम और उससे नीचे के निर्माण को छोड़ दिया जाता है।

आगे बढ़ने का रास्ता

उन सभी कंपनियों के लिए जिनके पास नई विनिर्माण सुविधाओं और उपकरणों में निवेश करने के लिए पूंजी है, कानून को चालू रखने के लिए चुनने के लिए काफी कुछ विकल्प हैं। नई सामग्री जोड़ना, नए प्रकार के ट्रांजिस्टर बनाना, और तीसरे आयाम में कदम रखना।

जान-बूझकर अन्य सामग्रियों की छोटी मात्रा को सिलिकॉन ('डोपिंग') के साथ पेश करना एक दोधारी तलवार हो सकती है। एक नई सामग्री ट्रांजिस्टर के गुणों को बढ़ा सकती है, लेकिन निर्माण के लिए अविश्वसनीय रूप से कठिन साबित होती है। कोबाल्ट के साथ इंटेल का अनुभव यही था। उन्होंने ट्रांजिस्टर को जोड़ने वाले अत्यंत छोटे तारों में प्रतिरोध को कम करने के लिए इसे 10 एनएम नोड में जोड़ा। आमतौर पर इन तारों के लिए कॉपर का उपयोग किया जाता है, लेकिन जैसा कि इसे छोटे तारों में पैक किया जाता है, यह अधिक प्रतिरोधक हो जाता है, इसलिए कोबाल्ट को उसी आकार में बीक्यूज़ जोड़ा जाता है, इंटेल ने पाया कि इसमें तांबे से बने समान तारों की तुलना में आधा प्रतिरोध है। यह जोड़ उपयोगी साबित हुआ, लेकिन निर्माण करना काफी कठिन था और इसकी उपज खराब रही, जिससे नई प्रक्रिया में देरी हुई। देरी के बावजूद, इसके अलावा ने एक बड़ी समस्या इंजीनियरों का सामना किया, जो प्रदर्शन को बढ़ावा देने के लिए नई सामग्रियों को एकीकृत करने की क्षमता दिखा रहा है। यदि आप रीइम्बर्बर करते हैं, तो कुछ समय के लिए एल्युमीनियम का उपयोग किया जाता था, क्योंकि उद्योग बेहतर प्रदर्शन के लिए तांबे में बदल जाता था। यह संक्रमण या तो सुचारू रूप से नहीं चला, लेकिन यह थोड़े समय के बाद काफी अच्छा हो गया।

नए प्रकार के ट्रांजिस्टर भी एक विकल्प हैं। कुछ समय के लिए उद्योग ने मानक, प्लेनर सीएमई एफईटी को एक बेस ट्रांजिस्टर के रूप में इस्तेमाल किया, जो तब तक ठीक काम करता था जब तक कि हम ट्रांजिस्टर से गुजरने वाले वर्तमान को नियंत्रित नहीं कर सकते, जिससे यादृच्छिक स्विच बनते हैं जो अक्सर त्रुटियों के परिणामस्वरूप होता है। अभी हाल ही में, FinFET नाम के नए डिज़ाइन ने प्लानर FET को प्रतिस्थापित किया, जहां पंख उठाया गया और गेट को चारों ओर से शुरू किया गया
बेहतर नियंत्रण का स्रोत अगर ट्रांजिस्टर स्विच करेगा या नहीं। नीचे दी गई छवि में आप वह अंतर देख सकते हैं जो FinFET की शुरूआत के साथ दिखाई दिया, जिससे निर्माता छोटे ट्रांजिस्टर बना सकते हैं और सबसे महत्वपूर्ण रूप से उन्हें नियंत्रित कर सकते हैं। ट्रांजिस्टर बनाने का नवीनतम तरीका 'गेट ऑल अराउंड FET' या संक्षेप में GAAFET है। इसकी डिजाइन पूरी लपेटती है
एक गेट के साथ स्रोत, बिना इरादे के किसी भी संभव स्विच को रोकने के लिए। 5 एनएम और नीचे उपयोग के लिए नियोजित, GAAFET एक प्रौद्योगिकी है जिसे हम बहुत जल्द देखेंगे। यह छोटे ट्रांजिस्टर डिजाइनों को चालू / बंद करने के आसान हेरफेर के साथ अनुमति देगा।
और अंतिम लेकिन कम से कम 3 आयाम नहीं है। जब हम 1 एनएम से नीचे कदम रखते हैं और पिकोमीटर में नोड आकार को मापना शुरू करते हैं, तो कई बल ट्रांजिस्टर को छोटा होने से रोकेंगे। आप छोटे जा सकते हैं, लेकिन आप भौतिकी के नियमों को नहीं तोड़ सकते। क्वांटम टनलिंग छोटी दूरी पर अधिक मौजूद है, इसलिए एक बिंदु पर हम डिजाइन में छोटे नहीं जा सकते हैं बिना ट्रांजिस्टर यादृच्छिक समय पर स्विच बनाते हैं। इसलिए जब हम सीमा से टकराते हैं, तो अभी भी एक जगह है जहां ट्रांजिस्टर लगाए जा सकते हैं और वह है ऊर्ध्वाधर अक्ष। यदि हम ट्रांजिस्टर को एक दूसरे के ऊपर रखते हैं, तो हम स्वचालित रूप से प्रति वर्ग मिलीमीटर में ट्रांजिस्टर की संख्या को दोगुना, तिगुना या चौगुना कर सकते हैं, जिससे इस दृष्टिकोण की क्षमता काफी बड़ी हो जाती है। हम पहले से ही एचबीएम मेमोरी पर इस तकनीक का उपयोग करते हैं, और यह तर्क में भी स्थानांतरित करने के बारे में है। TSMC भी वेफर-ऑन-वेफर पैकेज बनाती है जो एक-दूसरे के ऊपर वेफर्स को ढेर करने की अनुमति देते हैं, इसलिए 3 डी जाना और एक ही क्षेत्र में अधिक प्रदर्शन पैक करना असंभव नहीं है, लेकिन गर्मी, विशेष रूप से गर्मी घनत्व एक समस्या बन सकती है।

इसे सभी को समेटना

मेरी निजी राय है कि मूर का कानून जल्द खत्म नहीं होगा। इस वर्ष नहीं, न ही निम्नलिखित, और न ही 2025, जब गॉर्डन मूर खुद कानून को समाप्त करने की भविष्यवाणी करते हैं। यह सिलिकॉन निर्माताओं के लिए एक आसान लड़ाई नहीं है, लेकिन नई तकनीकों पर पहले से ही काम किया जा रहा है और उनमें से कुछ को बहुत जल्द तैनात किया जाएगा, जैसे कि GAAFET, कोबाल्ट और वेफर-ऑन-वेफर जो अतिरिक्त प्रदर्शन में सुधार की अनुमति देगा । चिप पैकेजिंग चेप्टर की उपस्थिति के साथ बहुत अच्छी हो रही है, सिस्टम डिज़ाइन एक लेगो बिल्डिंग की तरह लगता है, चिप डिज़ाइन के बजाय, क्या आप एक दूसरे के बगल में कई अलग-अलग चिप्स पैक कर सकते हैं, उनके बीच पीसीबी की आवश्यकता के बिना।

मूर के कानून का पालन करने में मुश्किल हो रही है, निर्माताओं को रचनात्मक होना है अगर वे प्रतिस्पर्धा करना चाहते हैं और अधिक पैसा बनाना चाहते हैं, और यह चुनौती एक निश्चित सुंदरता देती है जो केवल तभी दिखाई देती है जब हम बड़ी तस्वीर को देखते हैं और महसूस करते हैं कि सबसे अच्छा और सबसे दिलचस्प समाधान आसान प्रदर्शन लाभ के प्रतीत होने वाले उबाऊ वर्षों का पालन करना है।
Source: Wikipedia, Samsung (Images)