In 1965 schreef een onderzoeker genaamd Gordon Moore een kort stuk voor het tijdschrift Electronics. Hij leidde destijds R&D bij Fairchild Semiconductor. Zijn titel was bot: “Meer componenten op geïntegreerde schakelingen proppen.”
Moore merkte iets specifieks op. Bedrijven als Fairchild verdubbelden elke twaalf maanden het aantal afzonderlijke componenten op één vierkante centimeter silicium. Dat is exponentiële groei. Als je een chip uit 1964 zou nemen en deze zou vergelijken met een chip uit 1965, dan had de nieuwere twee keer zoveel transistors. Hij voorspelde dat dit zou blijven gebeuren. Voor onbepaalde tijd. Totdat de natuurkunde in de weg kwam te staan.
De twee pijlers van de wet van Moore
Moore’s observatie was geen magie. Het rustte op twee kwetsbare poten. Ten eerste heb je technologische vooruitgang nodig. Je moet uitzoeken hoe je elementen kunt verkleinen. Ten tweede heb je economie nodig. Massaproductie moet goedkoop genoeg zijn om R&D te ondersteunen. Als het proces te veel kost, sterft de trend.
We noemen het geen ‘wet’ omdat het universum zich niets aantrekt van onze tijdlijnen. Er bestaat geen fundamentele regel die zegt dat een nieuw geïntegreerd circuit twee keer zo krachtig moet zijn als het vorige. Het is een self-fulfilling prophecy. Bedrijven als Intel geven miljarden uit om bij te blijven. Ze doen het uit trots. Ze doen het om de markt te domineren. Maar is een bijna vijftig jaar oude voorspelling nog steeds relevant?
Kwantumsprongen
Het korte antwoord is ja, maar met sterretjes. De definitie van “verdubbeling” is verschoven. We voegen niet alleen meer transistors toe. We veranderen de manier waarop ze werken.
Kijk eens naar hoe moderne chips schalen. Het gaat niet alleen om het maken van kleinere stippen. Het gaat over 3D-stapelen. Fabrikanten gaan verder dan het traditionele 2D-vlak. Ze stapelen geheugenlagen op logische lagen. Dit is waar de echte winst nu verborgen ligt.
“De wet van Moore is een soort self-fulfilling prophecy geworden, omdat chipfabrikanten hebben aangedrongen om bij te blijven.”
Waarom is dit belangrijk voor jou? Omdat uw telefoon, uw laptop en uw slimme koelkast allemaal afhankelijk zijn van deze schaalvergroting. Wanneer de verdubbeling vertraagt, stijgen de prijzen. Prestatieplateaus. Je merkt het als je nieuwe toestel niet ‘twee keer zo snel’ aanvoelt als het oude.
De economie van afnemende opbrengsten
Hier is het vuile geheim van de chipproductie. Het kost meer om elke opeenvolgende generatie chips te maken. Een fabriek die chips van 14 nanometer maakt, is goedkoper dan een fabriek die chips van 3 nanometer maakt. De R&D-kosten zijn astronomisch.
De ‘wet’ buigt dus. Het breekt niet. Het wordt alleen maar duur. Bedrijven vinden nieuwe manieren om de dichtheid te verpakken. Ze gebruiken extreem ultraviolet (EUV) lithografie. Ze herontwerpen architecturen. Het doel is nog steeds hetzelfde: meer passen in minder ruimte. Maar de kosten per transistor stijgen.
Zal deze trend zich voortzetten? Waarschijnlijk. Maar de definitie van “meer componenten” is aan het veranderen. Het gaat niet alleen om kwantiteit. Het gaat om kwaliteit. En efficiëntie.
De volgende sprong is niet alleen kleiner. Het is slimmer. En dat kost geld.
Elk jaar verklaart iemand het einde van de wet van Moore. De critici hebben het meestal mis. De transistors in je CPU zijn nu zo klein dat je ze niet meer kunt zien met een lichtmicroscoop. We bevinden ons diep in de nanoschaal. De natuurkunde verandert hier. Klassieke regels vallen uiteen. De kwantummechanica neemt het over. Het wordt raar.
Neem kwantumtunneling. Stel je een elektron voor, niet als een massieve bal, maar als een golf. De golf heeft een vorm. Een belcurve. De smalle punten laten zien waar het elektron zou kunnen zijn. Het brede midden is waar het waarschijnlijk is. Stel je nu voor dat deze golf een barrière raakt. Een opening tussen twee geleiders. Als de golf de andere kant raakt, heeft het elektron de kans daar te verschijnen. Het tunnelt er doorheen. Dat zou niet moeten kunnen. Maar dat doet het wel.
Dit is een probleem voor chips. Een microprocessor is een wegennet voor elektronen. Transistoren zijn poorten. Zij beheersen de stroom. Een gesloten poort blokkeert het verkeer. Maar verklein die poorten te ver. Je raakt de kwantummuur. Er lekken elektronen doorheen. De computer krijgt slechte gegevens. Berekeningen mislukken.
Ingenieurs hebben hier jarenlang tegen gevochten. Ze veranderden materialen. Ze bouwden 3D-poorten. Ze verbeterden de efficiëntie. Dit kocht tijd. Maar de wet van Moore blijft om een andere reden bestaan. We blijven de definitie van ‘de wet van Moore’ veranderen.
Wat voorspelt de wet van Moore nu precies?
De oorspronkelijke observatie was eenvoudig. Gordon Moore, mede-oprichter van Intel, merkte dat het aantal transistors op een chip ongeveer elke twee jaar verdubbelde. Dat was de voorspelling. Dat was de wet.
Tegenwoordig meet niemand meer het aantal transistors. Het is te luidruchtig. Het is te moeilijk om kleine 3D-structuren te tellen. De industrie heeft de maatstaf verschoven. Nu kijken we naar de prestaties per watt. Of kloksnelheid. Of zelfs alleen maar het feit dat chips nog steeds goedkoper worden per prestatie-eenheid.
Als mensen vragen hoe de wet van Moore nog steeds relevant is, is het antwoord dat het niet langer een voorspelling over meetkunde is. Het is een voorspelling over de economie. Chips worden nog steeds efficiënter. Ze bieden nog steeds meer rekenkracht voor dezelfde of lagere kosten. De curve houdt stand. Niet omdat transistors kleiner worden, maar omdat ingenieurs steeds slimmer worden in het verpakken ervan.
De verschuiving van grootte naar architectuur
We botsen tegen een muur met vlakke transistors. Je kunt een platte transistor maar zo ver verkleinen voordat lekkage de batterij en de CPU doodt. De oplossing bestond niet alleen uit kleinere draden. Het was verticale ruimte.
Voer FinFET’s in. Deze transistors wikkelen zich rond het kanaal. Als een vin in het water. Ze geven de poort een betere controle over de elektronenstroom. Minder lekkage. Betere prestaties. Dankzij deze architecturale verschuiving kon de industrie de prestaties blijven verdubbelen, zelfs als de fysieke omvang van de afzonderlijke componenten niet langer in hetzelfde tempo kleiner werd.
Toen kwam de multicore-revolutie. Als één kern niet veel sneller kan worden, voeg dan meer kernen toe. Dit veranderde welke statistieken er toe doen. Het ging niet alleen om snelheid. Het ging om de doorvoer. Mobiele apparaten hadden dit nodig. Servers hadden dit nodig. De definitie van “vooruitgang” werd uitgebreid met parallellisme.
Waarom dit belangrijk is voor uw volgende upgrade
Je hoeft geen kwantummechanica te kennen om je hierover zorgen te maken. Het kan u schelen, omdat uw verwachtingen door deze ‘wet’ worden bepaald. Als de wet van Moore dood is, zou je kunnen denken dat er sprake is van technische stagnatie. Dat is het niet. De methoden zijn gewoon veranderd.
We gaan van schaalvergroting naar gespecialiseerde versnelling. GPU’s. TPU’s. Neurale verwerkingseenheden. Deze chips zijn niet alleen afhankelijk van kleine transistors. Ze vertrouwen op architectuur die is ontworpen voor specifieke taken. Dit is de nieuwe grens van de wet. Het gaat om meer doen met minder.
Het einde van de wet van Moore is een mythe. De definitie is slechts een bewegend doelwit. En we zijn nog steeds in beweging.
De wet van Moore ging nooit echt over natuurkunde. Het ging om een specifieke belofte: het aantal discrete componenten op een nieuw vervaardigd geïntegreerd circuit zou elke twaalf maanden verdubbelen. Dat getal gooien we nu weg. Insiders uit de sector zeggen dat dit elke 18 tot 24 maanden is. En we tellen niet alleen meer elementen.
We hebben de doelpalen verplaatst. De moderne interpretatie van de wet van Moore richt zich op verwerkingskracht in plaats van op fysieke componenten. Het idee is eenvoudig genoeg voor een ruwe schatting. Geef de industrie 18 tot 24 maanden. Zie hoe de snelheid van de microprocessor verdubbelt. Dit betekent niet dat er twee keer zoveel transistors op een chip uit 2012 zitten als in 2010. Het betekent wel dat we betere manieren hebben gevonden om de chip te ontwerpen. Efficiëntie verslaat het ruwe volume. We krijgen een snelheidsboost zonder dat er een exponentiële groei in het aantal componenten nodig is.
Door de wet op deze manier te herdefiniëren wordt de bruikbaarheid ervan vergroot. Fabrikanten combineren nieuwe fabricagetechnologie met betere architectuur. Ze houden gelijke tred. De observatie blijft relevant.
Is het herdefiniëren van de wet van Moore bedrog?
Het voelt zo. Gordon Moore voorspelde in 1965 dat een chip uit 1975 65.000 transistors zou kunnen bevatten. Hij had gelijk. Tegenwoordig bouwt Intel processors met 2,6 miljard transistors. De wiskunde is veranderd. De dichtheid is waanzinnig. Computers verwerken gegevens sneller dan ooit. Een thuis-pc heeft tegenwoordig net zoveel kracht als sommige vroege supercomputers tientallen jaren geleden.
Maar maakt het uit of we het aantal transistors niet letterlijk verdubbelen? Als we in een post-pc-tijdperk leven, zoals Steve Jobs ooit suggereerde, is brute kracht misschien minder relevant. Misschien zijn draagbaarheid en energie-efficiëntie belangrijker. Als dat waar is, eindigt de wet van Moore niet omdat we tegen een fysieke muur aanlopen. Het eindigt omdat het geen economische zin meer heeft. Waarom grenzen blijven verleggen als de markt de extra cycli niet op prijs stelt?
Wie heeft eigenlijk de macht nodig?
Sommige kopers stellen nog steeds de hoogste eisen. Liefhebbers van videogames hebben het nodig. Professionals die met high-definition media werken, snakken ernaar. Ze hebben elk grammetje verwerkingskracht nodig dat ze kunnen krijgen.
Hoe zit het met de rest van ons?
We zouden onze personal computers in domme terminals kunnen veranderen. We hebben toegang tot alles via de cloud. Maar de cloud is geen magie. Het is de computer van iemand anders. Ergens moet er een machine zijn met een krachtige processor die die belasting verwerkt. De vraag verschuift. Het verdwijnt niet.
Misschien zien we nog een aanpassing van de wet van Moore met een langere doorlooptijd. De definitie zou verder kunnen reiken. Processors zouden minder vaak in vermogen kunnen verdubbelen. Met zijn veranderlijke geschiedenis lijkt het concept waarschijnlijk te blijven bestaan. In een of andere vorm zal het overleven.
Opmerking van de auteur
Veelgestelde vragen
Wat is de wet van Moore in eenvoudige bewoordingen?
De wet van Moore is het principe dat het aantal transistors op een microchip elke twee jaar verdubbelt. Gordon Moore maakte de wet in 1965.
