У 1965 році дослідник на ім’я Гордон Мур написав невелику статтю для журналу Electronics. На той час він очолював відділ досліджень та розробок компанії Fairchild Semiconductor. Заголовок був гранично лаконічним: “Упаковка більшого числа компонентів в інтегральні схеми”.
Мур помітив одну конкретну тенденцію. Такі компанії, як Fairchild, подвоювали кількість дискретних компонентів на одному квадратному дюймі кремнію кожні 12 місяців. Це експоненційне зростання. Якби ви взяли чіп 1964 і порівняли його з чіпом 1965, то новий варіант містив би в два рази більше транзисторів. Він передбачив, що це продовжуватиметься. Нескінченно. Доки в справу не втрутиться закони фізики.
Два стовпи закону Мура
Спостереження Мура був магією. Воно спиралося на дві крихкі основи. По-перше, потрібні технологічні досягнення. Потрібно знайти спосіб зменшувати розміри елементів. По-друге, потрібна економіка. Масове виробництво має бути досить дешевим, щоб фінансувати дослідження та розробки. Якщо процес обходиться надто дорого, тенденція вмирає.
Ми не називаємо це «законом», тому що всесвіту немає справи до наших часових рамок. Не існує фундаментального правила, згідно з яким новий інтегральний чіп має бути вдвічі потужнішим за попередній. Це самоздійснюване пророцтво. Такі компанії, як Intel, витрачають мільярди доларів, щоб встигати за конкурентами. Вони роблять це з гордості. Вони роблять це домінувати на ринку. Але чи є актуальним передбачення, якому майже 50 років?
Квантові стрибки
Коротка відповідь — так, але із застереженнями. Визначення «подвоєння» змінилося. Ми більше не просто додаємо транзистори. Ми змінюємо принцип їхньої роботи.
Подивіться на те, як масштабуються сучасні чіпи. Йдеться не лише про зменшення розміру крапок. Йдеться про 3D-стекування. Виробники виходять за межі традиційної 2D-площини. Вони укладають шари пам’яті поверх шарів логіки. Саме тут зараз ховаються реальні переваги.
«Закон Мура перетворився на свого роду самоздійснююче пророцтво, оскільки виробники чіпів прагнуть встигати за конкурентами».
Чому це важливо для вас? Тому що ваш телефон, ноутбук та розумний холодильник покладаються на це масштабування. Коли темпи подвоєння сповільнюються, ціни зростають. Продуктивність виходить на плато. Ви помічаєте це, коли новий пристрій не здається “вдвічі швидше” за старий.
Економіка спадної віддачі
Ось брудна таємниця виробництва чіпів. Вартість виробництва кожного наступного покоління чипів зростає. Завод, що випускає 14-нанометрові чіпи, обходиться дешевше, ніж завод, який виготовляє 3-нанометрові чіпи. Витрати на дослідження та розробки астрономічні.
Таким чином, «закон» згинається. Він не ламається. Він просто стає дорожчим. Компанії знаходять нові способи збільшення густини. Вони використовують екстремальну ультрафіолетову (EUV) літографію. Вони перепроектують архітектуру. Мета залишається незмінною: розмістити більше компонентів у меншому просторі. Але вартість кожного транзистора зростає.
Чи продовжуватиметься ця тенденція? Ймовірно. Але визначення “великої кількості компонентів” змінюється. Йдеться не лише про кількість. Йдеться про якість. І про ефективність.
Наступний стрибок – це не просто зменшення розмірів. Це підвищення інтелектуальності. А це коштує грошей.
Щороку хтось повідомляє про смерть закону Мура. Критики зазвичай виявляються не праві. Транзистори всередині вашого процесора тепер такі малі, що їх неможливо побачити навіть у світловий мікроскоп. Ми глибоко поринули у наномасштаб. Фізика змінюється. Класичні правила перестають діяти. На сцену виходить квантова механіка. Все стає дивним.
Візьмемо квантове тунелювання. Уявіть електрон не як тверду кульку, а як хвилю. У хвилі є форма – дзвоноподібна крива. Вузькі «хвости» показують, де електрон може знаходитися. Широка центральна частина вказує, де він “найвірогідніше” знаходиться. Тепер уявіть, як хвиля стикається з бар’єром — розривом між двома провідниками. Якщо хвиля досягає іншої сторони, у електрона з’являється шанс опинитися там. Він тунелює крізь бар’єр. За класичною фізикою він не мав би цього робити. Але це робить.
Це створює проблеми для чипів. Мікропроцесор – це дорожня система для електронів. Транзистори виступають у ролі шлюзів, які контролюють потік. Закритий шлюз блокує рух. Але якщо стиснути ці шлюзи занадто сильно, ви упретеся в квантову стіну. Електрони починають протікати крізь бар’єр. Комп’ютер отримує спотворені дані. Обчислення дають збій.
Інженери борються із цим уже багато років. Вони змінювали матеріали, створювали тривимірні затвори, підвищували ефективність. Це дозволило виграти час. Але закон Мура виживає з іншої причини. Ми постійно змінюємо визначення закону Мура.
Що саме передбачає закон Мура сьогодні?
Початкове спостереження було простим. Гордон Мур, співзасновник Intel, зазначив, що кількість транзисторів на чіпі подвоюється приблизно кожні два роки. Ось і все передбачення. Ось і весь закон.
Сьогодні ніхто більше не вимірює кількість транзисторів. Це дуже зашумлений показник. Занадто складно підраховувати крихітні тривимірні структури. Індустрія змістила фокус метрики. Тепер ми дивимося на продуктивність на ват. Або на тактову частоту. Або просто на те, що чіпи стають дешевшими на одиницю продуктивності.
Коли люди запитують, як закон Мура все ще актуальний, відповідь полягає в тому, що це більше не передбачення про геометрію. Це прогноз про економіку. Чіпи, як і раніше, стають ефективнішими. Вони, як і раніше, забезпечують більше обчислювальної потужності за ті ж чи менші гроші. Крива зберігається. Не тому, що транзистори стають менше, а тому, що інженери стають розумнішими у тому, як їх розміщувати.
Зсув від розміру до архітектури
Ми вперлись у стіну з планарними транзисторами. Плоский транзистор можна зменшувати лише до певної межі, перш ніж витоку струму знищать батарею і процесор. Рішення полягало не просто в тонших проводах. Воно полягало у використанні вертикального простору.
На сцену вийшли FinFET. Ці транзистори охоплюють канал, подібно до плавця у воді. Вони забезпечують затвору найкращий контроль над потоком електронів. Менше витоків. Вище продуктивність. Цей архітектурний зсув дозволив промисловості продовжувати подвоювати продуктивність, навіть якщо фізичний розмір окремих компонентів перестав зменшуватися з тією ж швидкістю.
Потім розпочалася революція багатоядерності. Якщо одне ядро не може працювати значно швидше, додайте більше ядер. Це змінило те, які метрики мають значення. Йшлося не лише про швидкість. Йшлося про пропускну здатність. Мобільним пристроям це було потрібно. Серверам це було потрібно. Визначення «прогресу» розширилося, включивши паралелізм.
Чому це важливо для вашого наступного оновлення
Вам не потрібно знати квантову механіку, щоби це хвилювало. Ви хвилюєтеся, тому що ваші очікування формуються цим Законом. Якщо закон Мура мертвий, ви можете подумати, що технологічний застій настав. Але це негаразд. Просто змінилися методи.
Ми переходимо від масштабування густини до спеціалізованого прискорення. GPU. TPU. Нейропроцесори. Ці чіпи покладаються як на крихітні транзистори. Вони покладаються на архітектуру, розроблену для конкретних завдань. Це новий рубіж закону. Йдеться про те, щоб робити більше з меншими ресурсами.
Кінець закону Мура – це міф. Визначення просто зміщується. І ми все ще рухаємось вперед.
Закон Мура ніколи не був пов’язаний із фізикою. Йшлося про конкретну обіцянку: кількість дискретних компонентів на новій виготовленій інтегральній схемі має подвоюватися кожні дванадцять місяців. Зараз ми трохи коригуємо це число. Інсайдери галузі говорять про 18–24 місяці. І ми більше не рахуємо лише елементи.
Ми змістили цільові показники. Сучасна інтерпретація закону Мура зосереджена на обчислювальної потужності, а чи не на фізичних компонентах. Ідея досить проста для грубої оцінки. Дайте промисловості 18–24 місяці. Спостерігайте, як швидкість мікропроцесора подвоюється. Це не означає, що у чіпі 2012 року транзисторів вдвічі більше, ніж у 2010 році. Це означає, що ми знайшли найкращі способи проектування чипа. Ефективність перемагає сирий об’єм. Ми отримуємо приріст швидкості без необхідності експонентного збільшення кількості компонентів.
Переосмислення закону у такий спосіб продовжує його корисність. Виробники поєднують нові технології виробництва із покращеною архітектурою. Вони встигають за темпом змін. Спостереження залишається актуальним.
Чи є переосмислення закону Мура обманом?
Таке почуття створюється. Гордон Мур передбачив 1965 року, що чіп, створений до 1975 року, міститиме 65 000 транзисторів. Він мав рацію. Сьогодні Intel випускає процесори з 2,6 мільярдів транзисторів. Математика змінилася. Щільність компонентів дуже висока. Комп’ютери обробляють дані швидше, ніж будь-коли раніше. Домашній ПК сьогодні має таку ж потужність, як деякі ранні суперкомп’ютери десятиліття тому.
Але чи має значення, якщо ми не подвоює кількість транзисторів буквально? Якщо ми живемо в пост-ПК епоху, як одного разу припустив Стів Джобс, можливо, сира потужність менш важлива. Можливо, портативність та енергоефективність мають більше значення. Якщо це так, закон Мура закінчується не тому, що ми вперлися у фізичну межу. Він закінчується, бо перестає мати економічний сенс. Навіщо розширювати межі, якщо ринок не цінує додаткові такти?
Кому насправді потрібна ця потужність?
Деякі покупці, як і раніше, вимагають найвищих стандартів. Ентузіасти відеоігор потребують її. Професіонали, які працюють із медіа у високій якості, прагнуть її. Їм потрібна кожна унція обчислювальної потужності, яку можуть отримати.
А як щодо решти з нас?
Ми можемо перетворити наші персональні комп’ютери на тупі термінали. Ми отримуємо доступ до всього через хмару. Але хмара – це не магія. Це чужий комп’ютер. Десь має бути машина з потужним процесором, що обробляє це навантаження. Зрушення попиту відбувається. Він не зникає.
Можливо, ми побачимо ще одне коригування закону Мура з більш тривалим періодом. Визначення може бути ще далі. Процесори можуть подвоювати свою потужність рідше. Завдяки своїй мінливій історії, ця концепція, мабуть, залишиться з нами. У тій чи іншій формі вона виживе.
Примітка автора
Часті питання
Що таке закон Мура простими словами?
Закон Мура – це принцип, згідно з яким кількість транзисторів на мікропроцесорі подвоюється кожні два роки. Гордон Мур сформулював цей закон у 1965 році.
