La Legge di Moore è morta? Perché il chip scaling è ancora importante

Nel 1965, un ricercatore di nome Gordon Moore scrisse un breve pezzo per la rivista Electronics. All’epoca era a capo della ricerca e sviluppo presso Fairchild Semiconductor. Il suo titolo era schietto: “Inserire più componenti nei circuiti integrati”.

Moore ha notato qualcosa di specifico. Aziende come Fairchild raddoppiavano ogni 12 mesi il numero di componenti discreti su un singolo pollice quadrato di silicio. Questa è una crescita esponenziale. Se prendevi un chip del 1964 e lo confrontavi con uno del 1965, quello più nuovo aveva il doppio dei transistor. Aveva predetto che ciò avrebbe continuato ad accadere. Indefinitamente. Fino a quando la fisica non si è messa in mezzo.

I due pilastri della legge di Moore

L’osservazione di Moore non era magica. Poggiava su due fragili gambe. Innanzitutto, sono necessari progressi tecnologici. Devi capire come ridurre gli elementi. In secondo luogo, serve l’economia. La produzione di massa deve essere sufficientemente economica da supportare la ricerca e lo sviluppo. Se il processo costa troppo, la tendenza muore.

Non la chiamiamo “legge” perché all’universo non interessa la nostra linea temporale. Non esiste una regola fondamentale secondo cui un nuovo circuito integrato deve essere due volte più potente del precedente. È una profezia che si autoavvera. Aziende come Intel spendono miliardi per tenere il passo. Lo fanno per orgoglio. Lo fanno per dominare il mercato. Ma una previsione vecchia di quasi 50 anni è ancora attuale?

Salti quantici

La risposta breve è sì, ma con gli asterischi. La definizione di “raddoppio” è cambiata. Non stiamo più solo aggiungendo transistor. Stiamo cambiando il modo in cui funzionano.

Guarda come scalano i chip moderni. Non si tratta solo di creare punti più piccoli. Si tratta di impilamento 3D. I produttori stanno andando oltre il tradizionale piano 2D. Stanno impilando livelli di memoria sopra livelli logici. È qui che ora si nascondono i veri guadagni.

“La Legge di Moore è diventata una sorta di profezia che si autoavvera poiché i produttori di chip hanno spinto per tenere il passo.”

Perché questo è importante per te? Perché il tuo telefono, il tuo laptop e il tuo frigorifero intelligente fanno tutti affidamento su questo ridimensionamento. Quando il raddoppio rallenta, i prezzi salgono. Plateau prestazionali. Lo noti quando il tuo nuovo dispositivo non sembra “due volte più veloce” di quello vecchio.

L’economia dei rendimenti decrescenti

Ecco lo sporco segreto della produzione di chip. Costa di più produrre ogni generazione successiva di chip. Una fabbrica che produce chip a 14 nanometri è più economica di una che produce chip a 3 nanometri. I costi di ricerca e sviluppo sono astronomici.

Quindi, la “legge” si sta piegando. Non si rompe. Sta diventando costoso. Le aziende stanno trovando nuovi modi per aumentare la densità degli imballaggi. Stanno usando la litografia ultravioletta estrema (EUV). Stanno ridisegnando le architetture. L’obiettivo è sempre lo stesso: inserire di più in meno spazio. Ma il costo per transistor è in aumento.

Questa tendenza continuerà? Probabilmente. Ma la definizione di “più componenti” sta cambiando. Non è solo una questione di quantità. È una questione di qualità. Ed efficienza.

Il prossimo salto non è solo più piccolo. È più intelligente. E questo costa denaro.

Ogni anno qualcuno dichiara la fine della Legge di Moore. I critici di solito hanno torto. I transistor all’interno della tua CPU ora sono così piccoli che non puoi vederli con un microscopio ottico. Siamo nel profondo della nanoscala. Qui la fisica cambia. Le regole classiche crollano. La meccanica quantistica prende il sopravvento. Diventa strano.

Prendiamo il tunneling quantistico. Immagina un elettrone non come una palla solida, ma come un’onda. L’onda ha una forma. Una curva a campana. Le punte strette mostrano dove potrebbe trovarsi l’elettrone. L’ampio centro è dove probabilmente si trova. Ora, immagina che quest’onda colpisca una barriera. Uno spazio tra due conduttori. Se l’onda tocca l’altro lato, l’elettrone ha la possibilità di apparire lì. Fa un tunnel. Non dovrebbe essere in grado di farlo. Ma è così.

Questo è un problema per i chip. Un microprocessore è un sistema stradale per gli elettroni. I transistor sono porte. Controllano il flusso. Un cancello chiuso blocca il traffico. Ma restringi troppo quelle porte. Hai colpito il muro quantico. Gli elettroni passano attraverso. Il computer riceve dati errati. I calcoli falliscono.

Gli ingegneri combattono questo problema da anni. Hanno cambiato materiali. Hanno costruito cancelli 3D. Hanno migliorato l’efficienza. Questo ha fatto guadagnare tempo. Ma la Legge di Moore sopravvive per un’altra ragione. Continuiamo a cambiare la definizione di “Legge di Moore”.

Cosa prevede esattamente la Legge di Moore adesso?

L’osservazione originale era semplice. Gordon Moore, cofondatore di Intel, notò che il numero di transistor su un chip raddoppiava all’incirca ogni due anni. Questa era la previsione. Quella era la legge.

Oggi nessuno misura più il numero dei transistor. È troppo rumoroso. È troppo difficile contare minuscole strutture 3D. L’industria ha cambiato il parametro. Ora esaminiamo le prestazioni per watt. O la velocità dell’orologio. O anche solo il fatto che i chip continuano a diventare più economici per unità di prestazione.

Quando le persone chiedono come la Legge di Moore sia ancora attuale, la risposta è che non è più una previsione sulla geometria. È una previsione sull’economia. I chip stanno ancora diventando più efficienti. Forniscono ancora più potenza di calcolo a un costo uguale o inferiore. La curva tiene. Non perché i transistor stiano diventando più piccoli, ma perché gli ingegneri stanno diventando più intelligenti su come imballarli.

Il passaggio dalla dimensione all’architettura

Ci siamo scontrati con un muro con i transistor planari. Puoi restringere un transistor piatto solo così tanto prima che la perdita uccida la batteria e la CPU. La soluzione non erano solo cavi più piccoli. Era lo spazio verticale.

Inserisci i FinFET. Questi transistor avvolgono il canale. Come una pinna nell’acqua. Danno al gate un migliore controllo sul flusso di elettroni. Meno perdite. Prestazioni migliori. Questo cambiamento architetturale ha consentito al settore di continuare a raddoppiare le prestazioni, anche se le dimensioni fisiche dei singoli componenti hanno smesso di ridursi allo stesso ritmo.

Poi è arrivata la rivoluzione multi-core. Se un core non può diventare molto più veloce, aggiungi altri core. Ciò ha cambiato quali parametri contano. Non era solo una questione di velocità. Si trattava di produttività. I dispositivi mobili ne avevano bisogno. I server ne avevano bisogno. La definizione di “progresso” si espanse per includere il parallelismo.

Perché è importante per il tuo prossimo aggiornamento

Non è necessario conoscere la meccanica quantistica per interessarsene. Ti preoccupi perché le tue aspettative sono stabilite da questa “legge”. Se la Legge di Moore è morta, potresti pensare che sia arrivata la stagnazione tecnologica. Non lo è. I metodi sono semplicemente cambiati.

Stiamo passando dalla densità in scala all’accelerazione specializzata. GPU. TPU. Unità di elaborazione neurale. Questi chip non si basano solo su piccoli transistor. Si basano su un’architettura progettata per compiti specifici. Questa è la nuova frontiera del diritto. Si tratta di fare di più con meno.

La fine della Legge di Moore è un mito. La definizione è solo un bersaglio in movimento. E siamo ancora in movimento.

La Legge di Moore non ha mai riguardato veramente la fisica. Si trattava di una promessa specifica: il numero di componenti discreti su un circuito integrato di nuova produzione sarebbe raddoppiato ogni dodici mesi. Ora confondiamo quel numero. Gli esperti del settore affermano che avviene ogni 18-24 mesi. E non contiamo più solo gli elementi.

Abbiamo spostato i pali. L’interpretazione moderna della Legge di Moore si concentra sulla potenza di elaborazione piuttosto che sui componenti fisici. L’idea è abbastanza semplice per una stima approssimativa. Concedere al settore dai 18 ai 24 mesi. Guarda la velocità del microprocessore raddoppiare. Ciò non significa che ci siano il doppio dei transistor su un chip del 2012 rispetto a quello del 2010. Significa che abbiamo trovato modi migliori per progettare il chip. L’efficienza batte il volume puro. Otteniamo un aumento di velocità senza bisogno di una crescita esponenziale del numero di componenti.

Ridefinire la legge in questo modo ne estende l’utilità. I produttori combinano la nuova tecnologia di fabbricazione con un’architettura migliore. Tengono il passo. L’osservazione resta attuale.

Ridefinire la legge di Moore è un imbroglio?

Sembra di sì. Gordon Moore predisse nel 1965 che un chip prodotto entro il 1975 avrebbe contenuto 65.000 transistor. Aveva ragione. Oggi Intel costruisce processori con 2,6 miliardi di transistor. La matematica è cambiata. La densità è pazzesca. I computer elaborano i dati più velocemente che mai. Un PC domestico oggi ha la stessa potenza di alcuni dei primi supercomputer decenni fa.

Ma ha importanza se non stiamo letteralmente raddoppiando il numero dei transistor? Se viviamo in un’era post-PC, come suggerì una volta Steve Jobs, forse la potenza pura è meno rilevante. Forse la portabilità e l’efficienza energetica contano di più. Se questo è vero, la Legge di Moore non finisce perché colpiamo un muro fisico. Finisce perché non ha più senso economico. Perché continuare a spingersi oltre i limiti se il mercato non valorizza i cicli extra?

Chi ha realmente bisogno del potere?

Alcuni acquirenti richiedono ancora gli standard più elevati. Gli appassionati di videogiochi ne hanno bisogno. I professionisti che lavorano con i media ad alta definizione lo desiderano. Hanno bisogno di ogni grammo di potenza di elaborazione che possono ottenere.

E il resto di noi?

Potremmo trasformare i nostri personal computer in terminali stupidi. Accediamo a tutto attraverso il cloud. Ma la nuvola non è magica. È il computer di qualcun altro. Da qualche parte deve esserci una macchina con un potente processore che gestisce quel carico. La domanda cambia. Non scompare.

Forse vedremo un altro aggiustamento alla Legge di Moore con tempi di consegna più lunghi. La definizione potrebbe estendersi ulteriormente. I processori potrebbero raddoppiare la potenza meno frequentemente. Con la sua storia mutevole, sembra probabile che il concetto rimanga in vigore. In una forma o nell’altra, sopravviverà.

Nota dell’autore

Domande con risposta frequente

Che cos’è la legge di Moore in termini semplici?
La legge di Moore è il principio secondo cui il numero di transistor su un microchip raddoppia ogni due anni. Gordon Moore fece la legge nel 1965.