Ist Moores Gesetz tot? Warum Chip-Skalierung immer noch wichtig ist

Im Jahr 1965 schrieb ein Forscher namens Gordon Moore einen kurzen Artikel für die Zeitschrift Electronics. Zu dieser Zeit leitete er die Forschung und Entwicklung bei Fairchild Semiconductor. Sein Titel war unverblümt: „Mehr Komponenten in integrierte Schaltkreise packen.“

Moore bemerkte etwas Bestimmtes. Unternehmen wie Fairchild verdoppelten alle 12 Monate die Anzahl diskreter Komponenten auf einem einzigen Quadratzoll Silizium. Das ist exponentielles Wachstum. Nimmt man einen Chip von 1964 und vergleicht ihn mit einem von 1965, so verfügt der neuere über doppelt so viele Transistoren. Er sagte voraus, dass dies weiterhin passieren würde. Unbegrenzt. Bis die Physik dazwischenkam.

Die zwei Säulen des Mooreschen Gesetzes

Moores Beobachtung war keine Zauberei. Es ruhte auf zwei zerbrechlichen Beinen. Erstens brauchen Sie technologische Fortschritte. Sie müssen herausfinden, wie Sie Elemente verkleinern. Zweitens brauchen Sie Wirtschaftswissenschaften. Die Massenproduktion muss billig genug sein, um die Forschung und Entwicklung zu unterstützen. Wenn der Prozess zu viel kostet, stirbt der Trend.

Wir nennen es kein „Gesetz“, weil das Universum sich nicht um unsere Zeitlinien kümmert. Es gibt keine Grundregel, die besagt, dass ein neuer integrierter Schaltkreis doppelt so leistungsstark sein muss wie der vorherige. Es ist eine sich selbst erfüllende Prophezeiung. Unternehmen wie Intel geben Milliarden aus, um mithalten zu können. Sie tun es aus Stolz. Sie tun es, um den Markt zu dominieren. Aber ist eine fast 50 Jahre alte Vorhersage noch relevant?

Quantensprünge

Die kurze Antwort lautet ja, aber mit Sternchen. Die Definition von „Verdoppelung“ hat sich verschoben. Wir fügen nicht mehr nur Transistoren hinzu. Wir ändern ihre Funktionsweise.

Schauen Sie sich an, wie moderne Chips skalieren. Es geht nicht nur darum, kleinere Punkte zu machen. Es geht um 3D-Stacking. Hersteller gehen über die traditionelle 2D-Ebene hinaus. Sie stapeln Speicherschichten auf Logikschichten. Hier verbergen sich jetzt die wahren Gewinne.

„Moores Gesetz ist so etwas wie eine sich selbst erfüllende Prophezeiung geworden, da die Chiphersteller darauf drängten, Schritt zu halten.“

Warum ist Ihnen das wichtig? Denn Ihr Telefon, Ihr Laptop und Ihr intelligenter Kühlschrank sind alle auf diese Skalierung angewiesen. Wenn sich die Verdoppelung verlangsamt, steigen die Preise. Leistungsplateaus. Sie bemerken es, wenn sich Ihr neues Gerät nicht mehr „doppelt so schnell“ anfühlt wie das alte.

Die Ökonomie sinkender Renditen

Hier ist das schmutzige Geheimnis der Chipherstellung. Die Herstellung jeder nachfolgenden Generation von Chips kostet mehr. Eine Fabrik, die 14-Nanometer-Chips herstellt, ist billiger als eine, die 3-Nanometer-Chips herstellt. Die F&E-Kosten sind astronomisch.

Das „Gesetz“ verbiegt sich also. Es geht nicht kaputt. Es wird einfach teuer. Unternehmen finden neue Wege zur Packungsdichte. Sie verwenden Lithographie im extremen Ultraviolett (EUV). Sie gestalten Architekturen neu. Das Ziel ist immer noch dasselbe: mehr auf weniger Raum unterzubringen. Aber die Kosten pro Transistor steigen.

Wird sich dieser Trend fortsetzen? Wahrscheinlich. Aber die Definition von „mehr Komponenten“ ändert sich. Es kommt nicht nur auf die Quantität an. Es geht um Qualität. Und Effizienz.

Der nächste Sprung ist nicht nur kleiner. Es ist intelligenter. Und das kostet Geld.

Jedes Jahr erklärt jemand das Ende des Mooreschen Gesetzes. Die Kritiker liegen meist falsch. Die Transistoren in Ihrer CPU sind jetzt so klein, dass Sie sie mit einem Lichtmikroskop nicht mehr sehen können. Wir befinden uns tief im Nanomaßstab. Hier ändert sich die Physik. Klassische Regeln brechen zusammen. Die Quantenmechanik übernimmt. Es wird seltsam.

Nehmen wir Quantentunneln. Stellen Sie sich ein Elektron nicht als feste Kugel, sondern als Welle vor. Die Welle hat eine Form. Eine Glockenkurve. Die schmalen Spitzen zeigen, wo sich das Elektron könnte. Die breite Mitte ist dort, wo es wahrscheinlich ist. Stellen Sie sich nun vor, wie diese Welle auf eine Barriere trifft. Eine Lücke zwischen zwei Leitern. Wenn die Welle die andere Seite berührt, hat das Elektron die Chance, dort zu erscheinen. Es tunnelt hindurch. Das sollte nicht möglich sein. Aber das tut es.

Dies ist ein Problem für Chips. Ein Mikroprozessor ist ein Straßensystem für Elektronen. Transistoren sind Tore. Sie kontrollieren den Fluss. Ein geschlossenes Tor blockiert den Verkehr. Aber verkleinern Sie diese Tore zu weit. Du stößt auf die Quantenwand. Elektronen dringen durch. Der Computer erhält fehlerhafte Daten. Berechnungen scheitern.

Ingenieure kämpfen seit Jahren dagegen. Sie haben die Materialien gewechselt. Sie bauten 3D-Tore. Sie verbesserten die Effizienz. Das hat Zeit gewonnen. Aber Moores Gesetz überlebt aus einem anderen Grund. Wir ändern ständig die Definition von „Moores Gesetz“.

Was genau sagt Moores Gesetz jetzt voraus?

Die ursprüngliche Beobachtung war einfach. Gordon Moore, Mitbegründer von Intel, stellte fest, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip etwa alle zwei Jahre verdoppelte. Das war die Vorhersage. Das war das Gesetz.

Heutzutage misst niemand mehr die Anzahl der Transistoren. Es ist zu laut. Es ist zu schwierig, winzige 3D-Strukturen zu zählen. Die Branche hat die Metrik verschoben. Nun schauen wir uns die Leistung pro Watt an. Oder Taktrate. Oder einfach nur die Tatsache, dass Chips pro Leistungseinheit immer noch günstiger werden.

Wenn Leute fragen, inwiefern das Mooresche Gesetz noch relevant ist, lautet die Antwort, dass es sich nicht mehr um eine Vorhersage über die Geometrie handelt. Es ist eine Vorhersage über die Wirtschaft. Chips werden immer effizienter. Sie bieten immer noch mehr Rechenleistung bei gleichen oder geringeren Kosten. Die Kurve hält. Nicht, weil die Transistoren immer kleiner werden, sondern weil die Ingenieure immer schlauer darin werden, sie zu packen.

Der Wandel von der Größe zur Architektur

Mit Planartransistoren sind wir an eine Wand gestoßen. Sie können einen flachen Transistor nur so weit verkleinern, dass ein Leck die Batterie und die CPU zerstört. Die Lösung waren nicht nur kleinere Drähte. Es war vertikaler Raum.

Geben Sie FinFETs ein. Diese Transistoren umschließen den Kanal. Wie eine Flosse im Wasser. Sie geben dem Gate eine bessere Kontrolle über den Elektronenfluss. Weniger Leckage. Bessere Leistung. Dieser architektonische Wandel ermöglichte es der Branche, die Leistung weiter zu verdoppeln, auch wenn die physische Größe einzelner Komponenten nicht mehr im gleichen Tempo schrumpfte.

Dann kam die Multicore-Revolution. Wenn ein Kern nicht viel schneller werden kann, fügen Sie weitere Kerne hinzu. Dadurch hat sich geändert, welche Kennzahlen wichtig sind. Es ging nicht nur um Geschwindigkeit. Es ging um den Durchsatz. Mobile Geräte brauchten dies. Server brauchten dies. Die Definition von „Fortschritt“ wurde um die Parallelität erweitert.

Warum dies für Ihr nächstes Upgrade wichtig ist

Sie müssen sich nicht mit der Quantenmechanik auskennen, um sich darum zu kümmern. Sie kümmern sich darum, weil Ihre Erwartungen durch dieses „Gesetz“ festgelegt werden. Wenn das Mooresche Gesetz tot ist, könnte man meinen, dass es eine technische Stagnation gibt. Das ist es nicht. Die Methoden haben sich einfach geändert.

Wir bewegen uns von der Skalierungsdichte hin zur spezialisierten Beschleunigung. GPUs. TPUs. Neuronale Verarbeitungseinheiten. Diese Chips basieren nicht nur auf winzigen Transistoren. Sie verlassen sich auf eine Architektur, die für bestimmte Aufgaben entwickelt wurde. Dies ist die neue Grenze des Gesetzes. Es geht darum, mit weniger mehr zu erreichen.

Das Ende des Mooreschen Gesetzes ist ein Mythos. Die Definition ist nur ein bewegliches Ziel. Und wir sind immer noch in Bewegung.

Beim Mooreschen Gesetz ging es nie wirklich um Physik. Es ging um ein konkretes Versprechen: Die Anzahl der diskreten Komponenten auf einem neu hergestellten integrierten Schaltkreis würde sich alle zwölf Monate verdoppeln. Wir verfälschen diese Zahl jetzt. Brancheninsider sagen, dass dies alle 18 bis 24 Monate der Fall ist. Und wir zählen nicht mehr nur Elemente.

Wir haben die Torpfosten verschoben. Die moderne Interpretation des Mooreschen Gesetzes konzentriert sich eher auf die Rechenleistung als auf physische Komponenten. Die Idee ist einfach genug für eine grobe Schätzung. Geben Sie der Branche 18 bis 24 Monate Zeit. Beobachten Sie, wie sich die Geschwindigkeit des Mikroprozessors verdoppelt. Das bedeutet nicht, dass es auf einem 2012er Chip doppelt so viele Transistoren gibt wie 2010. Es bedeutet, dass wir bessere Wege gefunden haben, den Chip zu entwerfen. Effizienz übertrifft rohes Volumen. Wir erhalten einen Geschwindigkeitsschub, ohne dass die Komponentenanzahl exponentiell wachsen muss.

Eine solche Neudefinition des Gesetzes erweitert seinen Nutzen. Hersteller kombinieren neue Fertigungstechnologien mit besserer Architektur. Sie halten Schritt. Die Beobachtung bleibt relevant.

Ist die Neudefinition des Mooreschen Gesetzes Betrug?

Es fühlt sich so an. Gordon Moore sagte 1965 voraus, dass ein bis 1975 hergestellter Chip 65.000 Transistoren enthalten würde. Er hatte recht. Heute baut Intel Prozessoren mit 2,6 Milliarden Transistoren. Die Mathematik hat sich geändert. Die Dichte ist wahnsinnig. Computer verarbeiten Daten schneller als je zuvor. Ein Heim-PC bietet heute genauso viel Leistung wie einige frühe Supercomputer vor Jahrzehnten.

Aber spielt es eine Rolle, wenn wir die Anzahl der Transistoren nicht buchstäblich verdoppeln? Wenn wir in einer Post-PC-Ära leben, wie Steve Jobs einmal angedeutet hat, ist reine Leistung möglicherweise weniger relevant. Vielleicht sind Portabilität und Energieeffizienz wichtiger. Wenn das wahr ist, endet das Mooresche Gesetz nicht, weil wir gegen eine physische Wand stoßen. Es endet, weil es wirtschaftlich keinen Sinn mehr ergibt. Warum sollte man weiterhin Grenzen überschreiten, wenn der Markt die zusätzlichen Zyklen nicht wertschätzt?

Wer braucht eigentlich den Strom?

Manche Käufer verlangen immer noch höchste Ansprüche. Videospiel-Enthusiasten brauchen es. Profis, die mit hochauflösenden Medien arbeiten, sehnen sich danach. Sie benötigen jedes Quäntchen Rechenleistung, das sie bekommen können.

Was ist mit dem Rest von uns?

Wir könnten unsere Personalcomputer in dumme Terminals verwandeln. Wir greifen auf alles über die Cloud zu. Aber die Wolke ist keine Magie. Es ist der Computer eines anderen. Irgendwo muss es eine Maschine mit einem leistungsstarken Prozessor geben, der diese Last bewältigen kann. Die Nachfrage verschiebt sich. Es verschwindet nicht.

Möglicherweise kommt es zu einer weiteren Anpassung des Mooreschen Gesetzes mit einer längeren Vorlaufzeit. Die Definition könnte noch weiter reichen. Prozessoren verdoppeln ihre Leistung möglicherweise seltener. Aufgrund seiner wechselhaften Geschichte dürfte das Konzept bestehen bleiben. In irgendeiner Form wird es überleben.

Anmerkung des Autors

Häufig beantwortete Fragen

Was ist Moores Gesetz in einfachen Worten?
Das Mooresche Gesetz besagt, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Mikrochip alle zwei Jahre verdoppelt. Gordon Moore erließ 1965 das Gesetz.