Author:
Guido Groeseneken is Imec- en IEEE Electron Devices Society-fellow.
Reading time: 3 minutes
Toen ik doctoraatsstudent was in de jaren tachtig werd er al wild gespeculeerd over het einde van de wet van Moore: nog tien jaar en dan stopt het verkleinen van transistoren, zeiden ze toen. Maar uiteindelijk is de creativiteit van de ingenieurs groter gebleken dan het pessimisme van de voorspellers.
Toch nadert het einde van de bekende wet langzaam maar zeker. Steeds meer bedrijven stappen uit de race van de schaalverkleining omdat het te duur en te complex wordt. Enkel de sterkste spelers zijn in staat om zo lang mogelijk chips te blijven schalen. Het is een afvalrace, waardoor de wet van Moore op termijn geleidelijk zal uitdoven.
We zitten natuurlijk ook al bijna aan de fysische grenzen. Transistoren zijn vandaag nog maar een paar tientallen atomen in lengte. En verder dan een atoom kun je natuurlijk niet verkleinen. De wet van Moore, die overigens meer economisch dan een technologisch is, zal daarna onder een andere vorm worden verdergezet.
De wet van Moore wordt eigenlijk al een tijdje niet meer gedreven door het verkleinen van transistorafmetingen. Meer en meer komt de winst in performance door de introductie van nieuwe materialen (eerst voor de interconnecties en de poortdiëlektrica, nu ook voor het transistorkanaal zelf), door de vervanging van planaire door 3d mosfet-transistorarchitecturen, en in de toekomst zelfs door de mosfet te vervangen door alternatieve concepten, zoals de tunnelfet, koolstofnanobuisjes of spin wave devices.
Dit zal echter enorme implicaties hebben voor chipontwerpers. Heel het ecosysteem dat is opgebouwd rond de mosfet, met modellen, simulatietools, chipontwerpbibliotheken en dergelijke meer zal dan moeten worden vervangen of sterk aangepast. De vraag is of de investering, inspanning en het risico van het omgooien van dit hele ecosysteem kunnen opwegen tegen de opbrengsten van zo’n omschakeling.
Ook op het vlak van betrouwbaarheid van chips zijn er enorme uitdagingen als we onze vertrouwde mosfet-transistor verlaten. Vooreerst zullen we bij de introductie van nieuwe materialen en deviceconcepten een leercurve moeten doorlopen, waarbij we eventuele nieuwe faalmechanismen moeten leren begrijpen. Voor de klassieke mosfet was de leercurve vijftig jaar, maar bij nieuwe concepten moeten we bijna van nul beginnen.
Daarnaast zullen we in de toekomst waarschijnlijk niet meer kunnen garanderen dat alle transistoren van een chip gedurende de vooropgestelde levensduur betrouwbaar zullen blijven werken. Tenzij we het helemaal anders aanpakken. Ontwerp-, device- en technologie-ingenieurs zullen dan veel intensiever moeten samenwerken om toch een betrouwbaar systeem te garanderen, zelfs indien dit wordt opgebouwd met niet honderd procent betrouwbare transistoren.
Dat onderzoek loopt nu al bij Imec. Door innovatieve ontwerpmethodologieën, waarbij problemen worden gedetecteerd terwijl de chip werkt (dus runtime) en ook worden opgelost, kan er toch een betrouwbaar systeem worden bekomen. Je kunt het vergelijken met het menselijk lichaam, dat pijn voelt als teken dat er iets mis is. We moeten transistoren dus leren pijn te voelen, zodat we runtime parameters kunnen aanpassen en op die manier het systeem toch blijft werken. De vernieuwing zal dus niet langer van de technologie komen, maar vanuit een slim ontwerp en doordachte toepassingen. Dat wordt een hele uitdaging.
