قانون مور نمرد؛ مسیر آینده صنعت تراشه ها تغییر کرد

در یک روز بهاری سال ۱۹۶۵، یادداشت کوتاه یک مهندس ۳۶ ساله ریتم فناوری مدرن را شکل داد. مشاهده گوردون مور، اینکه تعداد ترانزیستورها تقریبا هر ۱۸ تا ۲۴ ماه دو برابر می‌شود و هم‌زمان هزینه‌ها کاهش می‌یابد، کم‌کم از یک پیش‌بینی فراتر رفت و به نوعی وعده تبدیل شد. برای دهه‌ها همین آهنگ، یک دوران کامل را پیش برد: رایانه‌های بزرگ هم‌اندازه اتاق جای خود را به کامپیوترهای جیبی دادند که توان پردازشی آن‌ها از فضاپیمایی که نخستین بار به ماه رسید بیشتر بود.

اما هر وعده‌ای تاریخ انقضایی دارد که به قوانین طبیعت گره خورده است. کوچک‌تر کردن ترانزیستورها شگفتی آفرید، تا زمانی که ابعاد آن‌ها به مرز اتم‌ها رسید. مقیاس‌گذاری دنارد زمانی تضمین می‌کرد که با کوچک‌تر شدن اجزا، عملکرد بهتر و مصرف انرژی کمتر شود، اما این قاعده مدت‌ها پیش از آنکه تراشه‌ها به ابعاد اتمی برسند از کار افتاد. دستاوردهایی که زمانی اجتناب‌ناپذیر به نظر می‌رسیدند، ابتدا کند شدند و سپس به مانع خوردند.

چگونه و چرا این دویدن سریع به حرکتی فرسایشی تبدیل شد؟ پاسخ، فیزیک است؛ صریح و سازش‌ناپذیر. وقتی گیت‌های ترانزیستور تنها چند نانومتر عرض دارند، یعنی در عمل به اندازه چند اتم سیلیکون، الکترون‌ها دیگر مانند توپ‌های بیلیارد منظم رفتار نمی‌کنند. آن‌ها رفتاری موج‌گونه دارند. تونل می‌زنند. ترانزیستوری که باید خاموش باشد می‌تواند جریان نشت کند، زیرا یک الکترون ممکن است از مانعی عبور کند که زمانی نفوذناپذیر به حساب می‌آمد. نشت‌های کوچک روی هم جمع می‌شوند. میلیاردها کلید نشتی روی یک قالب سیلیکونی، یک پردازنده هوشمند را به گرمکنی فشرده تبدیل می‌کند.

گرما محدودیت دیگری را پیش کشید: دیوار حرارتی. سرعت کلاک از چند گیگاهرتز پایین به سمت اعدادی رفت که پیش‌تر غیرقابل تصور بودند، اما حوالی ۴ تا ۵ گیگاهرتز بازدهی از میان رفت. اگر فرکانس را بالاتر ببرید، فقط محاسبه را سریع‌تر نمی‌کنید؛ تراشه را هم می‌پزید. همین مسئله به پدیده‌ای عجیب و پرهزینه به نام سیلیکون تاریک انجامید؛ بخش‌های بزرگی از یک تراشه که در هر لحظه باید خاموش بمانند تا از ذوب‌شدن یا خرابی حرارتی جلوگیری شود. دیگر ترانزیستورهای بیشتر لزوما به معنای عملکرد قابل استفاده بیشتر نبود.

مهندسان شکست را نپذیرفتند. آن‌ها ترانزیستورها را در سه بعد بازطراحی کردند. در سال ۲۰۱۱ صنعت به سراغ فین‌فت رفت؛ ساختاری شبیه باله که به گیت اجازه می‌دهد کانال را از چند طرف کنترل کند و نشت جریان را مهار کند. فین‌فت‌ها نقشه راه را یک دهه دیگر زنده نگه داشتند و گره‌های ۷ نانومتری و ۵ نانومتری را ممکن کردند. اما با نزدیک شدن گره‌ها به ۳ نانومتر و کمتر، حتی فین‌فت‌ها نیز دچار ضعف شدند. پاسخ، در آغوش‌گرفتن تنگ‌تر کانال بود: ترانزیستورهای گیت‌همه‌دور که در آن‌ها گیت کاملا دور نانونوارها یا نانوصفحه‌ها پیچیده می‌شود و تقریبا هر مسیر فرار را می‌بندد. ساخت چنین مجسمه‌های اتمی‌مقیاس، یکی از بزرگ‌ترین شاهکارهای مهندسی است.

با این حال فیزیک فقط نیمی از داستان است. اقتصاد فصل دیگر را نوشت. لیتوگرافی نوری در مرز فناوری امروز به ابزارهای فرابنفش شدید وابسته است؛ ماشین‌های عظیمی که ساخت آن‌ها بدون تخصصی بسیار گسترده عملا ناممکن است. شرکت ای‌اس‌ام‌ال در هلند تنها تامین‌کننده استپرهای فرابنفش شدید است که می‌توانند ویژگی‌های در کلاس ۳ نانومتر را چاپ کنند. هر دستگاه به اندازه یک اتوبوس قد می‌کشد، بیش از صد هزار قطعه دارد و حدود سیصد میلیون دلار قیمت می‌خورد. یک کارخانه مدرن و پیشرو تولید تراشه چطور؟ باید انتظار برچسب قیمت چند ده میلیارد دلاری داشت. این ارقام صنعت را دگرگون کرده‌اند: چشم‌اندازی که زمانی میزبان ده‌ها سازنده سیلیکون بود، اکنون در اختیار چند غول بزرگ متمرکز شده است.

پس وقتی نمی‌توان ترانزیستورها را تا ابد کوچک‌تر کرد، چه اتفاقی می‌افتد؟ قواعد بازی را عوض می‌کنید. صنعت تراشه از پردازنده‌های مرکزی یکپارچه و همه‌کاره به سمت سامانه‌های ناهمگون و طراحی‌های مبتنی بر چیپلت حرکت می‌کند. به جای آنکه هر عملکردی در یک قالب واحد و روی یک گره ساخت مشترک فشرده شود، طراحان کاشی‌های کوچک‌تر، یعنی چیپلت‌ها، را کنار هم می‌دوزند؛ قطعاتی که می‌توانند با فرایندهای متفاوت تولید شوند و سپس با بسته‌بندی پیشرفته یکپارچه شوند. این رویکرد عمل‌گرایانه است. ارزان‌تر است. انعطاف‌پذیر است.

شتاب‌دهنده‌های تخصصی نیز به جایگاهی برجسته رسیده‌اند. پردازنده‌های گرافیکی، واحدهای پردازش عصبی و تراشه‌های ویژه یک حوزه، مانند تی‌پی‌یوهای گوگل یا سیلیکون سری ام اپل، نشان می‌دهند که چگالی خام ترانزیستور تنها مسیر رسیدن به عملکرد بالاتر نیست. محاسبات را به سخت‌افزاری بسپارید که دقیقا برای همان نوع محاسبه ساخته شده است، آنگاه بهره‌وری جهش می‌کند. فوتونیک، یعنی استفاده از نور به جای الکترون برای بخشی از ارتباطات و کارهای محاسباتی، نیز شتاب گرفته و نوید مصرف انرژی کمتر برای جابه‌جایی داده را می‌دهد. در دورترین مرز امکان نیز رایانه‌های کوانتومی به جای کوچک‌سازی صرف فناوری موجود، مدلی بنیادی و متفاوت از محاسبه پیشنهاد می‌کنند.

قانون مور نمرده است؛ مسیر آن به سوی معماری‌های هوشمندتر، مواد تازه و نگاه سیستمی تغییر کرده است.

داستان نیمه‌هادی‌ها از یک معیار واحد، یعنی چگالی ترانزیستور، به مجموعه‌ای گسترده‌تر از موازنه‌ها رسیده است: هزینه به ازای هر عملکرد، انرژی به ازای هر عملیات و توانایی کنار هم چیدن قطعات ناهمگون در قالب سامانه‌هایی منسجم. آینده کمتر درباره کوچک‌سازی بی‌وقفه خواهد بود و بیشتر درباره ترکیب هوشمندانه: چیپلت‌ها و انباشت سه‌بعدی، پیوندهای فوتونیکی، شتاب‌دهنده‌های تخصصی و نرم‌افزاری که اجزای متنوع را با کارایی بالا هماهنگ می‌کند.

مهندسان تسلیم محدودیت‌های کوانتومی نمی‌شوند. آن‌ها میدان نبرد را از نو طراحی می‌کنند. وقتی یک در در فیزیک بسته می‌شود، دیوار را می‌شکافند تا پنجره‌ای بسازند. دهه آینده شبیه دهه گذشته نخواهد بود، اما به همان اندازه نوآورانه خواهد بود؛ و شاید حتی جذاب‌تر.