مدارهای مجتمع در گذر از قانون مور: تحلیل جامع فناوری، چالش های مقیاس گذاری، فناوری های نوظهور و چشم انداز آینده با مروری بر داده های تجربی

مدارهای مجتمع یا آی سی ها به عنوان زیربنای عصر دیجیتال، طی شش دهه تحولی بی نظیر در الکترونیک، محاسبات و ارتباطات ایجاد کرده اند. این مقاله به بررسی جامع مبانی نظری، فناوری های ساخت، چالش های مقیاس گذاری، فناوری های نوظهور و چشم انداز آینده ی آی سی ها می پردازد. بر اساس داده های تجربی، قانون مور از ۱۹۷۰ تا ۲۰۱۰ تقریبا به طور دقیق برقرار بوده، اما نرخ دوبرابر شدن هر دو سال یکبار از ۲۰۱۲ به حدود ۲/۵ سال کاهش یافته است. فناوری FinFET در گره ۲۲ نانومتر جریان نشتی زیرآستانه را تا ۹۰ درصد و جریان نشتی گیت را تا ۹۹ درصد نسبت به ترانزیستورهای پلانار کاهش داده است. با این حال، توان مصرفی ایستا از ۵ درصد توان کل در گره ۱۳۰ نانومتر به ۵۰ درصد در گره ۲۲ نانومتر افزایش یافته و در ابعاد زیر ۱۰ نانومتر، تونل زنی حامل ها تا ۳۰ درصد و واریانس ولتاژ آستانه تا ۵۰ میلی ولت، چالش های بنیادین ایجاد کرده است. یکپارچه سازی سه بعدی چگالی یکپارچه سازی را ۵ برابر افزایش داده اما چگالی توان گرمایی به ۱۵۰ وات بر سانتی متر مربع رسیده است. مواد نیمه هادی با شکاف نواری وسیع مانند نیترید گالیم، تلفات سوئیچینگ ۱۰ برابر کمتر از سیلیکون ارائه می دهند. محاسبات درون حافظه عملیات ضرب ماتریس-بردار را با توان مصرفی ۱۰ پیکوژول و کارایی ۱۰۰۰ برابر بهتر از معماری سنتی انجام می دهد. هزینه ی ساخت کارخانه های تولید آی سی از ۱۰ میلیون دلار برای گره ۵۰ میکرومتر به بیش از ۱۵ میلیارد دلار برای گره ۵ نانومتر و هزینه ی طراحی چیپ های پیچیده به بیش از ۲۰۰ میلیون دلار افزایش یافته است. نتیجه گیری نهایی حاکی از آن است که فناوری آی سی ها در آستانه ی تحول پارادایمی و گذار از مقیاس گذاری سنتی به یکپارچه سازی ناهمگن، معماری های سه بعدی، محاسبات درون حافظه و طراحی مبتنی بر هوش مصنوعی است. پیشنهادهای ده گانه شامل توسعه ی ترانزیستورهای با کانال دوبعدی، معماری های سه بعدی با خنک کنندگی یکپارچه، یکپارچه سازی ناهمگن مواد، مدارهای محاسبات درون حافظه، طراحی مبتنی بر هوش مصنوعی، محاسبات نورومورفیک، بسته بندی پیشرفته، مراکز طراحی ملی، نقشه راه پس از قانون مور و آموزش میان رشته ای ارائه شده است.

کلیدواژه ها:

مدارهای مجتمع ، قانون مور ، FinFET ، مقیاس گذاری ، جریان نشتی ، یکپارچه سازی سه بعدی ، محاسبات درون حافظه ، نیترید گالیم