V roce 1965 napsal výzkumník jménem Gordon Moore krátký článek pro časopis Electronics. V té době byl vedoucím výzkumu a vývoje ve Fairchild Semiconductor. Název byl velmi stručný: „Zabalení více součástek do integrovaných obvodů“.
Moore si všiml jednoho konkrétního trendu. Společnosti jako Fairchild zdvojnásobily počet diskrétních součástek na čtvereční palec křemíku každých 12 měsíců. To je exponenciální růst. Pokud byste vzali čip z roku 1964 a porovnali ho s čipem z roku 1965, nová verze by měla dvakrát tolik tranzistorů. Předpověděl, že to bude pokračovat. Donekonečna. Dokud nezasáhnou fyzikální zákony.
Dva pilíře Moorova zákona
Moorovo pozorování nebylo kouzlo. Stál na dvou křehkých základech. Za prvé, je zapotřebí technologického pokroku. Musíme najít způsob, jak zmenšit velikost prvků. Za druhé je nutná ekonomika. Masová výroba musí být dostatečně levná, aby financovala výzkum a vývoj. Pokud je proces příliš drahý, trend zaniká.
Neříkáme tomu „zákon“, protože vesmír se nestará o náš časový rámec. Neexistuje žádné zásadní pravidlo, že nový integrovaný čip musí být dvakrát výkonnější než ten předchozí. Toto je sebenaplňující se proroctví. Společnosti jako Intel utrácejí miliardy dolarů, aby udržely krok s konkurencí. Dělají to z hrdosti. Dělají to proto, aby ovládli trh. Je ale předpověď, která je stará téměř 50 let, stále aktuální?
Kvantové skoky
Krátká odpověď je ano, ale s výhradami. Definice „zdvojnásobení“ se změnila. Už nepřidáváme jen tranzistory. Měníme princip jejich práce.
Podívejte se na jak moderní měřítko čipů. Nejde jen o zmenšení velikosti teček. Mluvíme o 3D stohování. Výrobci se posouvají mimo tradiční 2D rovinu. Skládají vrstvy paměti na vrstvy logiky. V tom nyní leží skutečné výhody.
“Moorův zákon se stal něčím jako sebenaplňujícím se proroctvím, protože výrobci čipů závodí, aby udrželi krok s konkurencí.”
Proč je to pro vás důležité? Protože váš telefon, notebook a chytrá chladnička spoléhají na toto škálování. Když se tempo zdvojnásobení zpomalí, ceny rostou. Produktivita dosahuje plošiny. Všimnete si toho, když se vám nové zařízení nezdá být „dvakrát rychlejší“ než to staré.
Ekonomika klesajících výnosů
Zde je špinavé tajemství výroby čipů. Náklady na výrobu každé další generace čipů rostou. Továrna vyrábějící 14nm čipy stojí méně než továrna vyrábějící 3nm čipy. Náklady na výzkum a vývoj jsou astronomické.
Tím se „zákon“ ohýbá. Nerozbije se. Jen se to prodraží. Společnosti hledají nové způsoby, jak zvýšit hustotu. Používají extrémní ultrafialovou (EUV) litografii. Předělávají architektury. Cíl zůstává stejný: umístit více komponent do menšího prostoru. Ale náklady na každý tranzistor rostou.
Bude tento trend pokračovat? Pravděpodobně. Ale definice „více komponent“ se mění. Není to jen o množství. Jde o kvalitu. A o účinnosti.
Další skok není jen o snižování počtu zaměstnanců. To je zvýšení inteligence. A to stojí peníze.
Každý rok někdo oznámí smrt Moorova zákona. Kritici se většinou mýlí. Tranzistory uvnitř vašeho procesoru jsou nyní tak malé, že je nelze vidět ani světelným mikroskopem. Ponořili jsme se hluboko do nanoměřítek. Fyzika se zde mění. Klasická pravidla už neplatí. Do hry vstupuje kvantová mechanika. Věci začínají být divné.
Vezměme si kvantové tunelování. Představte si elektron ne jako pevnou kouli, ale jako vlnu. Vlna má tvar – křivka ve tvaru zvonu. Úzké “ocasy” ukazují, kde by mohl být elektron. Široká střední část ukazuje, kde se pravděpodobně bude nacházet. Nyní si představte, jak tato vlna naráží na bariéru – mezeru mezi dvěma vodiči. Pokud se vlna dostane na druhou stranu, elektron má šanci tam skončit. Prorazí bariéru. Podle klasické fyziky to neměl dělat. Ale on to dělá.
To vytváří problémy pro čipy. Mikroprocesor je transportní systém pro elektrony. Tranzistory fungují jako brány, které řídí tok. Uzavřená brána blokuje provoz. Pokud ale tyto brány zmáčknete příliš, narazíte na kvantovou zeď. Přes bariéru začnou proudit elektrony. Počítač přijímá poškozená data. Výpočty selžou.
Inženýři se s tím potýkají roky. Změnili materiály, vytvořili trojrozměrné ventily a zvýšili účinnost. To nám umožnilo získat čas. Ale Moorův zákon přežívá z jiného důvodu. Neustále měníme definici Moorova zákona.
Co přesně dnes předpovídá Moorův zákon?
Prvotní pozorování bylo jednoduché. Gordon Moore, spoluzakladatel Intelu, poznamenal, že počet tranzistorů na čipu se zdvojnásobí přibližně každé dva roky. To je celá předpověď. To je celý zákon.
Dnes už nikdo neměří počet tranzistorů. To je příliš hlučné. Je příliš obtížné spočítat drobné 3D struktury. Průmysl se zaměřil na metriky. Nyní se podíváme na výkon na watt. Nebo na taktovací frekvenci. Nebo jednoduše proto, že čipy zlevňují na jednotku výkonu.
Když se lidé ptají jak je Moorův zákon stále aktuální, odpovědí je, že už to není předpověď o geometrii. To je předpověď o ekonomice. Čipy jsou stále efektivnější. Stále poskytují větší výpočetní výkon za stejné nebo méně peněz. Křivka je zachována. Ne proto, že by se tranzistory zmenšovaly, ale proto, že inženýři jsou stále chytřejší v tom, jak je umístit.
Posun od velikosti k architektuře
Planárními tranzistory jsme narazili do zdi. Planární tranzistor lze srazit pouze tak daleko, než úniky proudu zničí baterii a procesor. Řešením nebyly jen tenčí dráty. Šlo o využití vertikálního prostoru.
Na scénu dorazily FinFETy. Tyto tranzistory ovíjejí kanál jako ploutev ve vodě. Poskytují bráně lepší kontrolu nad tokem elektronů. Méně úniků. Vyšší produktivita. Tento architektonický posun umožnil průmyslu pokračovat ve zdvojnásobování produktivity, i když se fyzická velikost jednotlivých komponent přestala zmenšovat stejnou rychlostí.
Pak začala vícejádrová revoluce. Pokud jedno jádro nemůže běžet výrazně rychleji, přidejte další jádra. To změnilo, * na čem* metriky záleží. Nebylo to jen o rychlosti. Šlo o propustnost. Mobilní zařízení to potřebovala. Servery to potřebovaly. Definice „pokroku“ se rozšířila o souběžnost.
Proč je to důležité pro vaši příští aktualizaci
Aby vás to zajímalo, nepotřebujete znát kvantovou mechaniku. Máte obavy, protože vaše očekávání jsou utvářena tímto „zákonem“. Pokud je Moorův zákon mrtvý, možná si myslíte, že přišla technologická stagnace. Ale to není pravda. Metody se prostě změnily.
Přecházíme od škálování hustoty k vyhrazené akceleraci. GPU TPU. Neuroprocesory. Tyto čipy se spoléhají na více než jen malé tranzistory. Spoléhají na architekturu navrženou pro konkrétní úkoly. Toto je nová hranice pro právo. Jde o to udělat více s méně zdroji.
Konec Moorova zákona je mýtus. Definice se prostě posouvá. A stále se posouváme vpřed.
Moorův zákon nebyl nikdy spojován s fyzikou. Šlo o konkrétní příslib: počet diskrétních součástek na nově vyrobeném integrovaném obvodu by se měl každých dvanáct měsíců zdvojnásobit. Nyní toto číslo trochu upravujeme. Zasvěcenci z oboru hovoří o 18-24 měsících. A to už nepočítáme jen prvky.
Posunuli jsme své cíle. Moderní výklad Mooreova zákona se zaměřuje spíše na výpočetní výkon než na fyzické komponenty. Myšlenka je dostatečně jednoduchá pro hrubý odhad. Dejte průmyslu 18–24 měsíců. Sledujte dvojnásobnou rychlost mikroprocesoru. To neznamená, že čip 2012 má dvakrát tolik tranzistorů než čip 2010. To znamená, že jsme našli lepší způsoby, jak navrhnout čip. Efektivita převyšuje hrubý objem. Získáme nárůst rychlosti bez nutnosti exponenciálního nárůstu počtu komponent.
Přehodnocení zákona tímto způsobem prodlužuje jeho užitečnost. Výrobci kombinují nové výrobní technologie s vylepšenou architekturou. Drží krok s tempem změn. Pozorování zůstává v platnosti.
Je znovuobjevení Moorova zákona podvod?
Tento pocit je vytvořen. Gordon Moore v roce 1965 předpověděl, že čip vytvořený v roce 1975 bude obsahovat 65 000 tranzistorů. Ukázalo se, že měl pravdu. Dnes Intel vyrábí procesory s 2,6 miliardami tranzistorů. Matematika se změnila. Hustota komponentů je šíleně vysoká. Počítače zpracovávají data rychleji než kdykoli předtím. Domácí PC má dnes stejný výkon jako některé první superpočítače před desítkami let.
Ale záleží na tom, jestli doslova nezdvojnásobíme počet tranzistorů? Pokud žijeme v post-PC éře, jak jednou naznačil Steve Jobs, možná je surová síla méně důležitá. Možná více záleží na přenosnosti a energetické účinnosti. Pokud ano, Moorův zákon nekončí proto, že bychom narazili na fyzikální limit. Končí, protože to přestává dávat ekonomický smysl. Proč stále posouvat hranice, když trh neocení extra klíšťata?
Kdo opravdu potřebuje tuto sílu?
Někteří kupující stále požadují nejvyšší standardy. Milovníci videoher to potřebují. Profesionálové pracující s médii s vysokým rozlišením po něm touží. Potřebují každou unci výpočetního výkonu, kterou mohou získat.
A co my ostatní?
Můžeme proměnit naše osobní počítače v hloupé terminály. Ke všemu přistupujeme přes cloud. Ale cloud není kouzlo. Toto je počítač někoho jiného. Někde musí být stroj s výkonným procesorem zvládající tuto zátěž. Dochází k posunu poptávky. Nezmizí.
Další úpravy Mooreova zákona se možná dočkáme s delším obdobím. Definici lze rozšířit ještě dále. Procesory mohou zdvojnásobit svůj výkon méně často. Díky své pestré historii nám tento koncept pravděpodobně zůstane. Přežije v té či oné podobě.
Poznámka autora
Často kladené otázky
Co je to jednoduchými slovy Moorův zákon?
Moorův zákon je princip, že počet tranzistorů na mikroprocesoru se každé dva roky zdvojnásobí. Gordon Moore formuloval tento zákon v roce 1965.
