Lei de Moore em uma nova encruzilhada

Ultimamente, tem havido várias histórias sobre como a Lei de Moore está chegando ao fim. Isso não é particularmente surpreendente - as pessoas estão prevendo sua morte há literalmente décadas, e eu já lidei com as questões antes - mas a discussão ganhou vida nova. Uma reportagem da revista Nature de M. Mitchell Waldrop confirma o que a maioria da indústria suspeita - que a próxima geração do International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) se concentrará não em diminuir os transistores, mas em desenvolver avanços de chips para aplicações específicas.

A Lei de Moore, é claro, baseia-se na observação feita por Gordon Moore (que mais tarde fundaria a Intel), na edição de abril de 1965 da Electronics , de que o número de transistores em um processador estava dobrando a cada ano. (Uma cópia está on-line aqui.) Em 1975, ele se provou correto, mas mudou sua estimativa de duplicação de chips para dois em dois anos, um ritmo que a indústria seguiu amplamente até recentemente.

Em 1991, a indústria de semicondutores dos EUA iniciou o que se tornaria o ITRS com contribuições de grupos industriais da Europa, Japão, Taiwan e Coréia do Sul. Ao longo dos anos, houve muitas mudanças neste roteiro. Até o início dos anos 2000, não apenas o número de transistores em um chip dobrava a cada geração, como também aumentavam as taxas de clock, o que dava um óbvio aumento de desempenho. Os chips seguiram o que foi chamado de escala de Dennard, com base em um artigo de 1974 que dizia que, à medida que os transistores eram dimensionados, o desempenho aumentava aproximadamente o mesmo fator na mesma potência. Mas quando os chips ficaram abaixo de 90 nm ou mais, isso parou de funcionar e, depois que chegaram aos 3GHz ou 4GHz, eles simplesmente usaram muita energia e ficaram muito quentes. Em vez de usar núcleos mais rápidos, o setor passou a usar mais núcleos, o que funciona em alguns aplicativos, mas não em outros. Enquanto isso, os chips móveis se tornaram mais populares, trazendo consigo um requisito para um consumo de energia ainda menor.

Outra grande mudança veio com os materiais. Durante a maior parte desse período, os chips foram principalmente MOSFETs ou transistores de efeito de campo de óxido de metal-silício, o que significa que os materiais básicos eram bastante simples. Na última década, vimos a introdução de tecnologias de silício tensionado, gate de metal com alto teor de k e FinFET - todos os métodos para aumentar a densidade e o desempenho além do que os materiais e projetos tradicionais poderiam realizar. A maioria dos observadores pensa que, à medida que atingimos 7nm de produção e abaixo, precisaremos de materiais alternativos mais novos, como silício-germânio (SiGE) e arseneto de índio-gálio (InGaAs) e que, eventualmente, podemos mudar para uma estrutura de transistor diferente, como gate-all transistores ao redor conhecidos como nanofios.

Recentemente, as ferramentas de litografia - aquelas que acendem as luzes que ativam materiais na pastilha de silício para desenhar os padrões do design do chip - também têm sido relativamente estáticas, com a litografia de imersão de 193 nm sendo um padrão há anos. Sem a sua substituição, conhecida como litografia ultravioleta extrema (EUV), os fabricantes de chips são forçados a usar padrões múltiplos, o que aumenta os custos. A ASML e seus parceiros estão trabalhando no EUV há algum tempo e agora parece direcionado para a produção de 7 nm.

A combinação do final da escala da Dennard, novos materiais e padrões múltiplos aumentou os custos de implantação de cada nova geração de tecnologia. E ficou mais difícil fazê-lo, com a Intel dizendo recentemente que seus planos para 10nm eram dois anos e meio após a introdução de 14nm, o que significa que isso ocorreria em 2017. Samsung e TSMC também estão falando em preparar chips de 10nm para produção em massa em 2017, e é possível que eles até derrotem a Intel nesse nó (embora, é claro, haja perguntas sobre a nomeação de nós e se seus processos são tão densos quanto os da Intel).

As mudanças no roteiro da ITRS não negam que a escala continuada acontecerá por um tempo, embora não mais na cadência de dois anos a que estamos acostumados, e com limites físicos reais chegando. Mas a nova versão - chamada Mapa Internacional de Dispositivos e Sistemas - aparentemente enfatiza diferentes tipos de tecnologia para diferentes aplicativos, como sensores, smartphones e servidores; e combinando diferentes tipos de transistores para diferentes coisas, como memória 3D, gerenciamento de energia ou sinais analógicos.

Então, a Lei de Moore está realmente morta desta vez? Eu duvido. A Intel continua dizendo "A Lei de Moore está viva e bem" e eles e outros dão boas razões para que os chips continuem ficando mais densos na próxima década, mais ou menos, mesmo quando os custos continuarem a subir. Mas não há dúvida de que veremos muitas mudanças no design de chips, à medida que nos afastamos cada vez mais do conceito de um design único que escala desde pequenos dispositivos até o data center. E isso significa que os designers de chips enfrentarão algumas decisões arriscadas e que os clientes precisarão ter ainda mais cuidado com as seleções que fizerem.