Vuonna 1965 Intelin perustajajäsen Gordon Moore muotoili lain, josta tuli myöhemmin "Mooren laki". Yli puolen vuosisadan ajan se tuki integroitujen piirien (IC) suorituskyvyn tasaista kasvua ja kustannusten laskua – modernin digitaalitekniikan perustaa. Lyhyesti sanottuna: transistorien määrä sirulla kaksinkertaistuu suunnilleen kahden vuoden välein.
Vuosien ajan kehitys on seurannut tätä tahtia. Nyt tilanne on muuttumassa. Lisäkutistuminen on vaikeutunut; osien koot ovat pienentyneet vain muutamaan nanometriin. Insinöörit kohtaavat fyysisiä rajoituksia, monimutkaisempia prosessivaiheita ja nousevia kustannuksia. Pienemmät geometriat myös alentavat saantoa, mikä vaikeuttaa suurten volyymien tuotantoa. Huippuluokan tehtaan rakentaminen ja käyttö vaatii valtavasti pääomaa ja asiantuntemusta. Monet siksi väittävät, että Mooren laki on hiipumassa.
Tuo muutos on avannut oven uudelle lähestymistavalle: siruille.
Siru on pieni siru, joka suorittaa tietyn toiminnon – pohjimmiltaan pala aiemmin yhdestä monoliittisesta sirusta. Yhdistämällä useita siruja yhteen pakettiin valmistajat voivat koota täydellisen järjestelmän.
Monoliittisella aikakaudella kaikki toiminnot sijaitsivat yhdellä suurella sirulla, joten vika missä tahansa saattoi tuhota koko sirun. Sirujen avulla järjestelmät rakennetaan "known good -sirulla" (KGD), mikä parantaa merkittävästi saantoa ja valmistuksen tehokkuutta.
Heterogeeninen integrointi – eri prosessisolmuille ja eri toimintoihin rakennettujen piirien yhdistäminen – tekee siruista erityisen tehokkaita. Suorituskykyiset laskentalohkot voivat käyttää uusimpia solmuja, kun taas muisti ja analogiset piirit pysyvät kypsissä, kustannustehokkaissa teknologioissa. Tulos: parempi suorituskyky alhaisemmilla kustannuksilla.
Autoteollisuus on erityisen kiinnostunut. Suuret autonvalmistajat käyttävät näitä tekniikoita tulevaisuuden ajoneuvojen sisäisten järjestelmäpiirien kehittämiseen, ja niiden massakäyttöönotto on tavoitteena vuoden 2030 jälkeen. Sirujen avulla ne voivat skaalata tekoälyä ja grafiikkaa tehokkaammin ja samalla parantaa tuottoa – mikä parantaa sekä suorituskykyä että toiminnallisuutta autoteollisuuden puolijohteissa.
Joidenkin auton osien on täytettävä tiukat toiminnallisen turvallisuuden standardit, ja siksi ne perustuvat vanhempiin, hyväksi havaittuihin solmuihin. Samaan aikaan nykyaikaiset järjestelmät, kuten edistyneet kuljettajan avustusjärjestelmät (ADAS) ja ohjelmistopohjaiset ajoneuvot (SDV), vaativat paljon enemmän laskentatehoa. Siruteknologia kuroa umpeen tätä kuilua: yhdistämällä turvallisuusluokan mikrokontrollereita, suuren muistin ja tehokkaat tekoälykiihdyttimet valmistajat voivat räätälöidä järjestelmäpiirejä kunkin autonvalmistajan tarpeisiin – nopeammin.
Nämä edut ulottuvat autoteollisuuden ulkopuolelle. Siruarkkitehtuurit leviävät tekoälyyn, televiestintään ja muille aloille, kiihdyttäen innovaatioita eri toimialoilla ja niistä on nopeasti tulossa puolijohdekehityksen tiekartan tukipilari.
Sirujen integrointi perustuu kompakteihin ja nopeisiin sirujen välisiin liitäntöihin. Keskeinen mahdollistaja on välikerros – sirujen alla oleva, usein piikerros, joka reitittää signaaleja paljolti kuten pieni piirilevy. Paremmat välikerrokset tarkoittavat tiiviimpää kytkentää ja nopeampaa signaalinvaihtoa.
Edistyksellinen kotelointi parantaa myös tehonsyöttöä. Tiheät pienten metalliliitäntöjen ryhmät piirien välillä tarjoavat runsaasti reittejä virralle ja datalle myös ahtaissa tiloissa, mikä mahdollistaa suuren kaistanleveyden siirron ja hyödyntää tehokkaasti rajoitettua kotelointitilaa.
Nykypäivän valtavirran lähestymistapa on 2,5D-integraatio: useiden piirien sijoittaminen vierekkäin välikappaleelle. Seuraava harppaus on 3D-integraatio, jossa piirit pinotaan pystysuunnassa käyttämällä piiläpireikiä (TSV) vielä suuremman tiheyden saavuttamiseksi.
Modulaarisen sirusuunnittelun (toimintojen ja piirityyppien erottelu) yhdistäminen 3D-pinoamiseen tuottaa nopeampia, pienempiä ja energiatehokkaampia puolijohteita. Muistin ja laskennan yhteissijoittaminen tarjoaa valtavan kaistanleveyden suurille tietojoukoille – ihanteellinen tekoälylle ja muille tehokkaille työkuormille.
Pystysuuntainen pinoaminen tuo kuitenkin mukanaan haasteita. Lämpö kerääntyy helpommin, mikä vaikeuttaa lämmönhallintaa ja saantoa. Tämän ratkaisemiseksi tutkijat kehittävät uusia pakkausmenetelmiä, jotka käsittelevät paremmin lämpörajoituksia. Silti vauhti on vahva: sirujen ja 3D-integraation konvergenssia pidetään laajalti disruptiivisena paradigmana – valmiina viemään eteenpäin Mooren lain loppua.
Julkaisuaika: 15.10.2025