В 1965 году издание Electronics опубликовало статью, написанную доктором Гордоном Э. Муром, директором по исследованиям и разработкам в Fairchild Semiconductor. Мур озаглавил статью «Втиснуть больше компонентов в интегральные схемы». Он заметил, что такие полупроводниковые компании, как Fairchild, могут удваивать количество дискретных компонентов на квадратном дюйме кремния каждые 12 месяцев.
Это тип экспоненциального роста. Микросхема площадью 6,5 квадратных дюймов, изготовленная в 1964 году, будет иметь вдвое меньше компонентов, таких как транзисторы, чем микросхема, изготовленная в 1965 году. Мур предсказал, что эта тенденция будет продолжаться бесконечно, пока производители микросхем не столкнутся с фундаментальными препятствиями, которые блокируют их прогресс..
Наблюдение Мура зависело от двух важных факторов: технического прогресса и экономики массового производства. Чтобы его наблюдение оставалось в силе, мы должны внедрять инновации и находить новые способы создания все более мелких элементов на чипе. Но мы также должны убедиться, что производственный процесс экономически выгоден, иначе не будет возможности поддерживать дальнейшее развитие.
Сегодня мы называем наблюдение Мура законом Мура. Несмотря на название, на самом деле это не закон. Во Вселенной нет фундаментального правила, определяющего, насколько мощной будет новая интегральная схема в любой момент времени. Но закон Мура стал чем-то вроде самосбывающегося пророчества, поскольку производители чипов стремились не отставать от прогнозов, сделанных доктором Муром еще в 1965 году. Будь то из чувства гордости или просто из желания лидировать на рынке, такие компании, как Intel, потратили миллиарды долларов на исследования и разработки, чтобы идти в ногу со временем.
Итак, это наблюдение почти 50-летней давности все еще актуально?
Квантовый скачок
Кажется, что с каждым годом какой-то эксперт по технологиям или журналист предсказывает, что закону Мура придет конец. Компоненты современных микропроцессоров теперь находятся в наномасштабе - масштабе настолько маленьком, что вы даже не можете увидеть отдельные элементы с помощью мощного светового микроскопа. При таком размере физики ведут себя иначе, и квантовая механика начинает вытеснять классическую физику. Все становится довольно странно.
Например, квантовое туннелирование. Представьте, что электрон - это не частица с определенным положением. Вместо этого это частица, которая ведет себя как волна. Вероятность положения электрона меняется внутри волны. В некотором смысле волна похожа на колоколообразную кривую - узкие концы представляют области, где возможно - но маловероятно - присутствие электрона. Широкая средняя часть представляет собой область, где электрон, скорее всего, будет найден.
Поскольку эта волна приближается к барьеру, например к промежутку между двумя проводниками, один конец волны может перекрыть барьер и коснуться другого проводника. Это означает, что электрон может оказаться по другую сторону промежутка. Если потенциал есть, это означает, что иногда электрон находится на другой стороне. Как будто электрон туннелировал прямо через барьер.
В микропроцессоре это то, что мы бы назвали плохой вещью. Вы можете думать о микропроцессоре как о сложной дорожной системе, по которой движутся электроны. Транзисторы в микропроцессорах являются воротами - они управляют потоком трафика. Закрытые ворота не должны пропускать электроны. Но если вы сделаете ворота достаточно тонкими - уменьшив эти элементы еще больше, чтобы не отставать от закона Мура - вы начнете сталкиваться с квантовыми проблемами, такими как туннелирование электронов. Утечка электронов вызовет ошибки компьютера, так как микропроцессор получит неправильные результаты в своих вычислениях.
За прошедшие годы инженеры нашли новые способы создания транзисторов в наномасштабе, сводя при этом к минимуму такие эффекты, как квантовое туннелирование. Иногда это связано с использованием другого типа материала внутри транзисторных затворов. Иногда это означает создание трехмерного вентиля для повышения эффективности микропроцессора. Это помогло компаниям идти в ногу с предсказаниями закона Мура. Но еще одна причина, по которой закон Мура никуда не делся, заключается в том, что мы продолжаем возиться с определением.
Переопределение закона
Изначально закон Мура касался довольно специфической концепции: количество дискретных компонентов в новой интегральной схеме удваивается каждые 12 месяцев. Сегодня мы немного подтасовываем это число - вы слышали, как люди в технологической индустрии говорят, что это происходит каждые 18-24 месяца. И речь идет не только о количестве элементов на чипе.
Один из распространенных способов перефразировать наблюдение Мура состоит в том, что за определенный промежуток времени (опять же, обычно от 18 до 24 месяцев) вычислительная мощность микропроцессоров удваивается. Это не обязательно означает, что в 2012 году на чипе будет в два раза больше транзисторов, чем в 2010 году. Вместо этого мы можем найти новые способы проектирования чипов, чтобы сделать их более эффективными, что даст нам повышение скорости обработки без необходимости экспоненциальный рост.
Переопределив закон Мура таким образом, чтобы мы рассматривали вычислительную мощность, а не физические компоненты, мы расширили полезность наблюдения. Чтобы не отставать от закона, компании могут сочетать достижения в области производственных технологий с улучшенной архитектурой микропроцессора.
Является ли такое переопределение закона Мура сродни жульничеству? Это имеет значение? В 1965 году Мур предсказал, что чип, изготовленный в 1975 году, будет иметь 65 000 транзисторов, если его наблюдение подтвердится. Сегодня Intel производит процессоры с 2,6 миллиардами транзисторов. Сегодня компьютеры могут обрабатывать данные гораздо быстрее, чем десятилетия назад - домашний ПК обладает такой же мощностью, как и некоторые из первых суперкомпьютеров.
Еще один способ взглянуть на этот вопрос - спросить, имеет ли вообще значение то, что сегодня компьютеры в два раза мощнее, чем два года назад. Если мы живем в эпоху пост-ПК, как однажды предположил Стив Джобс, это может означать, что более быстрые микропроцессоры уже не так важны, как раньше. Возможно, важнее, чтобы наши устройства были энергоэффективными и портативными. Если это так, мы можем увидеть, как закон Мура подходит к концу не потому, что мы сталкиваемся с каким-то фундаментальным ограничением, а потому, что с экономической точки зрения не имеет смысла продолжать раздвигать границы того, что мы можем сделать.
Некоторые сегменты населения, покупающего компьютеры, по-прежнему будут требовать высочайших стандартов обработки. Энтузиасты видеоигр и люди, работающие с мультимедиа высокой четкости, нуждаются - или жаждут - всей вычислительной мощности, которую они могут получить. А как же остальные?
Даже если все наши персональные компьютеры превратятся в тупые терминалы, которые получают доступ ко всему через облако, где-то должен быть компьютер с мощным процессором. Возможно, мы увидим еще одно новое определение закона Мура с более длительным временем выполнения, прежде чем мощность процессоров удвоится. Учитывая его изменчивую историю, кажется вероятным, что закон Мура в той или иной форме будет действовать еще некоторое время.
Примечание автора
Для меня наиболее интересным аспектом закона Мура является его влияние на микропроцессорную промышленность. Это цель, которую все хотят достичь. Это вдохновляет инженеров пробовать новые подходы и материалы, а не рисковать отставанием. В конечном счете, это наблюдение послужило ориентиром для индустрии и проложило путь к эпохе ПК и пост-ПК.
Часто задаваемые вопросы
Что такое закон Мура простыми словами?
Закон Мура заключается в том, что количество транзисторов в микрочипе удваивается каждые два года. Гордон Мур издал закон в 1965 году.