مقدمه: ضربان قلبی که جهان مدرن را کوک کرد
در تاریخ نوزدهم آوریل سال 1965 میلادی، مجله «الکترونیکس» (Electronics) مقالهای نسبتاً کوتاه از یک مهندس سی و شش ساله به نام گوردون مور (Gordon Moore) منتشر کرد. مور که سه سال بعد شرکت افسانهای اینتل (Intel) را پایهگذاری کرد، در این مقاله پیشبینی جسورانهای انجام داد: تعداد ترانزیستورهای روی یک مدار مجتمع (Microchip) هر سال (که بعدها به هر 18 تا 24 ماه اصلاح شد) تقریباً 2 برابر خواهد شد، در حالی که هزینه تولید آنها کاهش مییابد.
این پیشبینی ساده، به چیزی بیش از یک نظریه مهندسی تبدیل شد؛ این جمله به «قانون مور» معروف گشت و به عنوان ضربان قلب تپنده سیلیکونولی، مسیر تکامل بشریت را در نیم قرن آینده دیکته کرد. به لطف این قانون بود که ما از کامپیوترهای غولپیکری که فضایی به اندازه یک اتاق کامل را اشغال میکردند، به گوشیهای هوشمندی رسیدیم که در جیب جا میشوند و قدرت پردازشی میلیاردها برابر بیشتر از کامپیوترهای آپولو 11 دارند.
اما هیچ مهمانیای تا ابد ادامه نمییابد. امروز، در اواسط دهه 2020 میلادی، صنعت نیمهرسانا با واقعیتی تلخ و گریزناپذیر روبرو شده است. مهندسانی که دههها با کوچک کردن ترانزیستورها معجزه میکردند، اکنون به دیواری سخت به نام «قوانین فیزیک بنیادین» برخورد کردهاند. داستان مرگ تدریجی قانون مور، قصه نبرد حماسی ذهن انسان با محدودیتهای اتمی و کوانتومی است؛ نبردی که در آن، هر نانومتر با خون، عرق و میلیاردها دلار سرمایه فتح میشود.
برای درک عمق بحران کنونی، باید ابتدا آناتومی یک پردازنده را به زبان ساده بشکافیم. پردازنده کامپیوتر یا گوشی شما، اساساً شهری مینیاتوری متشکل از میلیاردها کلید قطع و وصل جریان برق است. به این کلیدها «ترانزیستور» میگویند. وظیفه ترانزیستور بسیار ساده است: روشن بودن (نماد 1) و خاموش بودن (نماد 0). تمام دنیای دیجیتال، از پیامهای متنی شما تا گرافیک خیرهکننده بازیهای ویدیویی و هوش مصنوعی، بر پایه همین صفر و یکها ساخته شده است.
در طول چهار دهه، صنعت پردازنده از قانونی به نام «مقیاسپذیری دنارد» (Dennard Scaling) پیروی میکرد. این قاعده فیزیکی که در سال 1974 مطرح شد، میگفت هرچه ترانزیستورها کوچکتر شوند، ولتاژ کمتری برای روشن و خاموش شدن نیاز دارند و در نتیجه، سرعت پردازنده بالا رفته و مصرف انرژی آن بهینه میشود.
این یک بازی برد-برد مطلق بود. شرکتهایی مانند اینتل، ایامدی (AMD) و بعدها تیاسامسی (TSMC)، هر دو سال یکبار نسل جدیدی از پردازندهها را با ترانزیستورهای کوچکتر معرفی میکردند. از ابعاد میکرومتری در دهه 80، به فناوریهای 90 نانومتری، 45 نانومتری و در نهایت 14 نانومتری رسیدیم. به نظر میرسید مهندسان سیلیکونولی در حال بازی با کدهای تقلب کیهان هستند. اما طبیعت همیشه آخرین حرف را میزند.
مشکل از جایی شروع شد که ابعاد ترانزیستورها به طرز وحشتناکی به اندازه خود اتمها نزدیک شد. برای درک این مقیاس، در نظر بگیرید که قطر یک تار موی انسان حدود 80000 تا 100000 نانومتر است. امروزه ما در حال صحبت درباره ترانزیستورهایی هستیم که گیت (دروازه کنترلکننده جریان الکترون) در آنها تنها چند نانومتر ضخامت دارد؛ یعنی به معنای واقعی کلمه، عرض این دروازه تنها از چند ده اتم سیلیکون تشکیل شده است!
اینجا بود که مهندسان با پدیدهای ترسناک در فیزیک روبرو شدند: «تونلزنی کوانتومی» (Quantum Tunneling).
در فیزیک کلاسیک، ترانزیستور شبیه به یک شیر آب است. وقتی شیر را میبندید (حالت خاموش)، جریان آب متوقف میشود. اما در ابعاد زیر 10 نانومتر، فیزیک کلاسیک فرو میریزد و قوانین عجیب مکانیک کوانتوم حاکم میشود. در این ابعاد، الکترونها دیگر مانند توپهای بیلیارد رفتار نمیکنند که به در بسته برخورد کنند و متوقف شوند؛ بلکه آنها طبیعت موجی پیدا میکنند.
تونلزنی کوانتومی به زبان ساده یعنی الکترون با دیدن یک دیوار نازک (گیت ترانزیستور در حالت خاموش)، به جای توقف، از داخل دیوار «تونل» میزند و در طرف دیگر ظاهر میشود! این یعنی کلید خاموش، دیگر کاملاً خاموش نیست. ترانزیستور شروع به نشتی جریان (Leakage) میکند.
وقتی شما میلیاردها ترانزیستور در حال نشتی روی یک تراشه به اندازه ناخن انگشت خود داشته باشید، نتیجه یک فاجعه حرارتی است. تراشه به جای پردازش اطلاعات، به یک بخاری برقی مینیاتوری تبدیل میشود. این محدودیت فیزیکی، اولین میخ بر تابوت قانون مور بود.
به دلیل همین نشتیهای کوانتومی و مقاومت الکتریکی سیمهای فوقباریک مسی در داخل تراشه، پدیدهای به نام «دیوار حرارتی» (Thermal Wall) در اوایل دهه 2000 میلادی ظاهر شد. تا پیش از آن، شرکتها با کوچک شدن ترانزیستورها، فرکانس پردازنده (Clock Speed) را به شدت بالا میبردند. به سرعت از 1 گیگاهرتز به 2 و 3 گیگاهرتز رسیدیم. اما ناگهان در حدود 4 تا 5 گیگاهرتز، رشد متوقف شد.
تراشهها به قدری داغ میشدند که اگر با همان سرعت قبلی پیش میرفتند، دمای سطح پردازنده از دمای سطح خورشید فراتر میرفت! در اینجا مفهوم تلخی به نام «سیلیکون تاریک» (Dark Silicon) متولد شد.
سیلیکون تاریک به این معناست که اگرچه مهندسان توانستهاند میلیاردها ترانزیستور را روی یک چیپ جای دهند، اما نمیتوانند همه آنها را به طور همزمان روشن کنند، زیرا تراشه از شدت گرما ذوب خواهد شد. بنابراین، در هر لحظه، بخش بزرگی از سیلیکون روی پردازنده باید خاموش (تاریک) بماند تا حرارت دفع شود. این یعنی ما ترانزیستورهای بیشتری داریم، اما نمیتوانیم از تمام پتانسیل آنها استفاده کنیم.
با رسیدن به بنبست کوانتومی و حرارتی، مهندسان تسلیم نشدند. آنها معماری تخت (Planar) ترانزیستورها را که از دهه 60 میلادی ثابت بود، دور انداختند و به بعد سوم روی آوردند.
در سال 2011، اینتل با معرفی ترانزیستورهای سهبعدی به نام FinFET (ترانزیستور اثر میدانی بالهدار) جهان را شگفتزده کرد. در این معماری، کانال عبور الکترونها از حالت یک سطح صاف خارج شد و مانند باله یک کوسه به سمت بالا آمد. گیت کنترلکننده توانست این باله را از سه طرف در آغوش بگیرد. این کار باعث شد کنترل بر جریان الکترونها به شدت افزایش یابد و نشتی کوانتومی مهار شود. فناوری FinFET توانست قانون مور را برای یک دهه دیگر زنده نگه دارد و ما را به گرههای پردازشی 7 و 5 نانومتری رساند.
اما در ابعاد 3 نانومتر و کوچکتر، حتی FinFET هم پاسخگو نبود. الکترونها دوباره شروع به فرار کردند. این بار، شرکتهایی نظیر سامسونگ و تیاسامسی به سراغ معماری پیچیدهتری به نام GAAFET (گیت همهجانبه) رفتند. در این روش، کانالهای عبور الکترون به شکل نوارهای نانومتری درآمده و گیت مانند یک تونل، کاملاً دور تا دور آنها را میپوشاند تا الکترونها هیچ راه فراری نداشته باشند. تولید چنین ساختارهای ظریفی در سطح اتمی، یکی از بزرگترین دستاوردهای تاریخ مهندسی بشر محسوب میشود.
مرگ قانون مور تنها ریشه فیزیکی ندارد؛ بلکه اقتصادی نیز هست. گوردون مور قانونی دوم نیز داشت که کمتر شنیده شده است (معروف به قانون راک). این قانون میگوید هزینه ساخت کارخانههای تولید تراشه (Fab) هر چهار سال دو برابر میشود.
امروزه، چاپ ترانزیستورهای 3 نانومتری نیازمند دستگاههای فوتولیتوگرافی فرابنفش فرین (EUV) است. تنها یک شرکت در جهان به نام ASML در هلند قادر به ساخت این غولهای مکانیکی است. هر دستگاه EUV به اندازه یک اتوبوس است، بیش از 100000 قطعه دارد و قیمت آن مرز 300 میلیون دلار را رد کرده است!
ساخت یک کارخانه جدید تولید پردازنده در لبه تکنولوژی، امروز بین 15 تا 20 میلیارد دلار هزینه دارد. این ارقام نجومی باعث شده تا از دهها شرکت تولیدکننده سیلیکون در دهه 90، امروز تنها سه غول بزرگ در خط مقدم باقی بمانند: TSMC، سامسونگ و اینتل. هزینه تحقیق و توسعه به قدری سرسامآور شده که کوچکسازی بیشتر، دیگر از نظر اقتصادی برای بسیاری از کاربردها منطقی نیست.
با کند شدن روند کوچکسازی، صنعت متوجه شد که اتکا به پردازندههای همهکاره (CPU) دیگر جوابگو نیست. ما وارد عصر «محاسبات ناهمگن» (Heterogeneous Computing) شدهایم.
امروزه به جای ساخت یک پردازنده غولپیکر و گرانقیمت یکپارچه، شرکتهایی مانند AMD و اینتل از معماری «چیپلت» (Chiplet) استفاده میکنند. در این روش، پردازنده بزرگ به قطعات کوچکتر (چیپلت) تقسیم میشود که هر کدام میتوانند با فناوریهای متفاوتی ساخته شوند و سپس با استفاده از پکیجینگ پیشرفته سهبعدی به هم متصل گردند. این کار هزینهها را به شدت کاهش داده و محدودیتهای فیزیکی را دور میزند.
علاوه بر این، ظهور سختافزارهای تخصصی مانند شتابدهندههای هوش مصنوعی (NPU)، واحدهای پردازش گرافیکی (GPU) بسیار قدرتمند و تراشههای اختصاصی (مانند TPU گوگل یا سیلیکونهای اختصاصی اپل M-Series)، نشان میدهد که آینده از آنِ طراحیهای هوشمندانهتر است، نه صرفاً ترانزیستورهای ریزتر.
قانون مور نمرده است، بلکه تکامل یافته است. شاید دیگر نتوانیم با همان سرعت دیوانهوار دهه 90، ابعاد ترانزیستورها را نصف کنیم و به دیوارهای فیزیک کوانتوم برخورد کرده باشیم؛ اما عطش انسان برای قدرت پردازشی متوقف نشده است.
همانطور که عصر موتورهای بخار جای خود را به موتورهای احتراق داخلی داد، عصر طلایی سیلیکون سنتی نیز در حال واگذاری میدان به معماریهای سهبعدی، پکیجینگهای پیچیده، فوتونیک (پردازش با نور) و در نهایت کامپیوترهای کوانتومی است. مهندسان به ما نشان دادهاند که وقتی دری در فیزیک بسته میشود، آنها دیوار را برای یافتن پنجرهای جدید خراب میکنند. پایان معماریهای سنتی سیلیکون، کابوسی بود که مهندسان را بیدار کرد تا رویاهای بزرگتر و عجیبتری برای آینده فناوری ببینند.
