האם חוק מור, ש-"נולד" לפני כמעט 60 שנה, עדיין רלוונטי?

כמעט בכל מוצר או מכשיר כיום ניתן למצוא רכיבים אלקטרוניים בצורה זו או אחרת. בסביבה הקרובה אלו, למשל, מכשירי הטלוויזיה, הראוטר, המודם, המחשב הנייד והסמארטפון ואף כלי הרכב. באינטראקציה היומיומית שלנו עם שירותים מבוססי אפליקציות בטלפון הנייד שלנו, אנו נסמכים על שירותים בענן, כאשר הפעולות מתבצעות במרכזי נתונים.

פעולות אלו משלבות כמויות עצומות של רכיבים אלקטרוניים המתוכננים על ידי מהנדסים בעזרת סט כלים מבוססי תוכנה. תחום פעילות זה נקרא אוטומציה בתכנון אלקטרוני, או EDA (ר"ת Electronic Design Automation). סט כלים יכלול מוצרי תוכנה וחומרה, כאשר כל אחד משמש למטרה מסוימת, אך עם אינטראקציה ואינטגרציה ביניהם כך שיעבדו יחד באופן הרמוני.

אם נבחן מוצרים אלקטרוניים, נראה לוח ירוק שהוא לוח המעגלים המודפסים, ועליו משובצים שבבים אלקטרוניים אשר נראים כריבועי פלסטיק שחורים. ריבועי אלה הם מעין אריזות שכל אחת מהן מכילה שבב או מספר שבבים. על ריבוע כזה, העשוי סיליקון וגודלו כגודל ציפורן, יושבים הרבה מאוד אלמנטים זעירים, שנקראים טרנזיסטורים. שבבים מורכבים יכולים להכיל מיליארדי טרנזיסטורים.

במבט לאחור, והחל משנות החמישים, כאשר המעגל המשולב רק נולד, שבב אחד כלל תריסר טרנזיסטורים בלבד. בתחילת שנות השישים הבחין מהנדס בשם גורדון מור, שמספר הטרנזיסטורים מכפיל עצמו מדי שנה או שנתיים, וזו הצמיחה האקספוננציאלית שכונתה מאז בשם "חוק מור".

בשנים האחרונות, בעיקר בשל עליית מחירי מזעור הטרנזיסטורים באופן לא ליניארי, שומעים יותר ויותר קולות בתעשייה, הטוענים כי חוק מור כבר לא ישים. דעה זו קיבלה חיזוק ממנכ"ל אנבידיה, ג'נסן הואנג, שאמר, כי לדעתו חוק מור כבר לא ישים באופן המופשט שלו, מכיוון ש"היכולת לספק כפול ביצועים באותו מחיר, או אותם ביצועים במחצית המחיר, בכל שנה או שנה וחצי – כבר לא קיימת. לייצר היום וופר של 12 מ"מ הרבה יותר יקר מאשר אתמול".

עם זאת, אם נתבונן ברמת המערכת המבוססת על צ'יפים, יש הטוענים, בהם רובין מיטצ'ל במאמרו ב-Electro Pages, כי "טכנולוגיות 3D-IC (מערום של שבבים לגובה) תהיינה התוצאה הטובה ביותר עבור התעשייה המתקדמת. למרות שבניית מערכי 3D-IC מאתגרת בפני עצמה (למשל פיזור חום), היא תאפשר למספר הטרנזיסטורים להמשיך ולגדול, בעולם שהולך והופך תלוי יותר ביישומים מרובי מעבדים".

"כשם ש-ADAS מתקדם לעבר נהיגה אוטונומית, כך טכנולוגיות ה-AI, ה-ML וה-HPC המשולבות בכלי ה-EDA מאפשרות למתכננים להתמקד בתחומי המומחיות שלהם ולהבטיח את הגידול הבא בחוק מור בעזרת טכנולוגיות למימוש תכנונים ב-3D-IC"

בראייה מערכתית נוספת, ניתן להסתכל על צפיפות לא רק ברמה של גודל הטרנזיסטור, אלא גם על השטח הנצרך עבור חיווט מוליכים. עד היום הצליחו לייצר שכבות הולכה לכמות של כ-17 שכבות עבור TSMC N7, אך יש מחסום להוספת שכבות. אחת הטכנולוגיות שנבדקות ועדיין לא מסחריות היא "ציפוי" המוליך בשכבת גראפן בעל מוליכות גבוהה ועובי דק. כלומר התקדמות במוליכות תוכל אף היא להגדיל את צפיפות היישום על גבי סיליקון.

כלי תכנון

בואו נדבר גם על כלי התכנון: היום קיימים פתרונות לתכנון ובנייה של מערכות המשלבות טרנזיסטורים "סטנדרטיים" עם פתרונות בתוך שבב בתחומי אופטיקה, RF וספרתי. ניתן לבצע סימולציות ואינטגרציה בין התחומים השונים באופן כולל ומערכתי. יכולת זו, ובשילוב העובדה שהתוכנה יכולה לטפל בתכנון מיליארד טרנזיסטורים בשבב, מאפשרות קיצור לוחות זמנים בפיתוח והגדלת התפוקה בין דורות של שבבים, כשהמרחק בין דור לדור קטן או נשאר קבוע.

לשם השגת מטרה זו נדרשות גישות מתקדמות, המשלבות מדעי מתמטיקה ומחשב ומכונות תוכנה חישובית. יישומן נעשה באמצעות טכנולוגיות שנכנסו לאחרונה במחשוב בעל ביצועים גבוהים (High Performance Computing – HPC), שיחד עם יכולות עיבוד נתונים מקבילי מאפשרים לשפר את ביצועי המחשוב ולבצע חישובים מורכבים בזמן קצר, וכן לקצר זמני חישוב בעזרת טכנולוגיות למידת מכונה ובינה מלאכותית.

כל אלה הביאו לשיפור משמעותי ביעילות עבודתם של מתכננים המתמודדים עם אתגר השבבים בני מיליארדי הטרנזיסטורים והוביל לסבבי תכנון קצרים יותר. כלומר הגדלת ביצועי השבבים בין גרסה אחת לבאה בפחות זמן.

הדבר דומה לדרך שבה מערכות תומכות נהיגה מתקדמות (ADAS) מסוגלות לקחת על עצמן חלק מהאספקטים השגרתיים של הנהיגה. כשם ש-ADAS מתקדם לעבר נהיגה אוטונומית, כך טכנולוגיות ה-AI, ה-ML וה-HPC המשולבות בכלי ה-EDA מאפשרות למתכננים להתמקד בתחומי המומחיות שלהם, ולהבטיח את הגידול הבא בחוק מור בעזרת טכנולוגיות למימוש תכנונים ב-3D-IC.

לסיכום, ייתכן שחוק מור בראייתו המופשטת כבר לא כל כך ישים. אך במבט מורחב של התבוננות ברמת המערכת ויכולות העיבוד המאפשרות האצה בהוצאת רכיבים, ניתן לומר שחוק מור ישים גם היום. לפיכך, פתרונות מערכתיים מבוססי השבבים שאנו מתכננים היום, יהיו כפולים בקיבולת, אם לא כל שנתיים אז אולי קרוב לזה.