ロードマップでわかる！当世プロセッサー事情 第803回

トランジスタの当面の目標は電圧を0.3V未満に抑えつつ動作効率を5倍以上に引き上げること　IEDM 2024レポート

　12月7日～11日にかけ、サンフランシスコでIEDM(International Electron Device Meeting) 2024が開催された。今年はIEDMの開催70周年となっており、昨年にもまして多くの発表が行なわれた。

　今年のテーマは"Shaping Tomorrow's Semiconductor Technology"となっており、実際次世代向けのプロセスに関する話題が多く発表されている。

IEDMのトップページ。「明日の半導体技術を磨く」のだそうだ

　TSMCもN2プロセスの詳細やその次の世代向けのCFET(Complementary FET:後述)の試作などを発表しているし、ほかにもimecをはじめ各社がいろいろな成果を公開している。これを全部説明していると1年くらいかかるので、いくつかを紹介するにとどめたいわけだが、幸いにもインテルがIEDMの直前にプレビューを公開しており、こちらの記事で概略が紹介されている。

2005年まではプロセス微細化による高性能化が続く

　プレビューはプレビューでしかないので、いくつか選んでもう少し詳細に説明しよう。今回のテーマは、下の画像の左側上から2番目、"Transistor Scaling Innovations"という招待講演だ。ちなみに正式タイトルは28-1 "The Incredible Shrinking Transistor - Shattering Perceived Barriers and Forging Ahead"である。

左上の2つが招待講演。残りの7つが論文となるが、うち右下の2つはほかの機関/大学との共同論文だ

　まずはムーアの法則がなんだかんだと言いながらまだ成立し続けていることに触れ、引き続きムーアの法則が業界の牽引力になっているとしたうえで、話を2005年まで、2005年～現在、今後の3つに分割した。

現在の延長だと2030年には1T(1兆)トランジスタに達する見込み。ちなみにNVIDIAのBlackwellがチップ1個あたり104億個なので、2年で2倍だと2030年にはチップ1個あたり832億個で、1000億個は堅いが1兆個はやや厳しい気も。もっともCelebrasのWSEはすでに1兆個を超えている(WSE-3 で2.6兆個)

このスライドでは2003～2012年になっているが、これは90nm世代でインテルが歪シリコン、HKMG(High-K Metal Gate)、FinFETなどを最初に投入したのがこの時代に集中しているからである

　2005年までというのは黄金時代、あるいはフリーランチの時代などとも呼ばれているが、要するにこの時代はプロセスを微細化すると、動作周波数が上がり、トランジスタ密度も上がるのに、電圧が下がるお陰で消費電力が変わらないというものであった。

デナード則は世代ごとに1.4倍の速度向上だったが、実際にはより高性能を求めて世代ごとに2倍の速度向上を実現してしまい、その結果として早めに黄金時代が終焉を迎えたという気もしなくはない。もっとも1.4倍のまま留めても、2010年まで持ったかどうかは怪しいが

　これはデナード則と呼ばれるもので、1974年にIBMのRobert H. Dennard博士が提唱した経験則である。正確に言えば、プロセスを1世代進めると、トランジスタの寸法が30%(面積で言えばほぼ半分に)縮まることで、利用できるトランジスタの数が2倍になる。

　一方駆動電圧も0.7倍になり、消費電力は半分になる(駆動電圧の2乗に比例するので)。しかも寸法が0.7倍ということは遅延も0.7倍になるので、動作周波数で言えば1.4倍高速に動かせるという、夢のような話である。

　実際のところ、上の画像の右図にあるように、1970年代から2004年頃まではこの夢のようなプロセス微細化による高性能化が続いた。これに歯止めがかかったのは、直接的には微細化にともなうリーク電流の急増である。ただこのあと以下のように、デナード則が崩壊することになった。

• 寸法の微細化が思うように進まない
• 微細化しても遅延がそんなに減らない
• 駆動電圧をそれほど下げられなくなった
• 消費電力はなにもしないとむしろ増える

　上の画像で2005年あたりを境に、動作周波数がさっぱり上がらなくなり、またPowerも100W超で頭打ちになったのは、左の下にあるように空冷で許容できる消費電力は100～150W程度であり、この消費電力の枠の中でもう動作周波数が上がらなくなったという実情である。

　特に駆動電圧が下げられないことが、消費電力を下げるうえで一番大きな障害になっているとする。

サブスレッショルド領域と呼ばれる、ある一定のしきい値以下の電圧でのトランジスタの動作の振る舞いが、通常領域と異なるのが問題。具体的に言うと、遅くなる