W 1965 roku badacz Gordon Moore napisał krótki artykuł dla magazynu Electronics. W tym czasie był dyrektorem działu badań i rozwoju w Fairchild Semiconductor. Tytuł był bardzo zwięzły: „Umieszczanie większej liczby komponentów w układach scalonych”.
Moore zauważył jedną szczególną tendencję. Firmy takie jak Fairchild podwajały liczbę dyskretnych komponentów na cal kwadratowy krzemu co 12 miesięcy. To jest wzrost wykładniczy. Jeśli porównamy chip z 1964 roku z chipem z 1965 roku, nowa wersja będzie miała dwa razy więcej tranzystorów. Przewidział, że tak będzie dalej. Bez końca. Dopóki nie interweniują prawa fizyki.
Dwa filary prawa Moore’a
Obserwacja Moore’a nie była magią. Opierał się na dwóch kruchych fundamentach. Po pierwsze potrzebny jest postęp technologiczny. Musimy znaleźć sposób na zmniejszenie rozmiaru elementów. Po drugie, konieczna jest ekonomia. Produkcja masowa musi być na tyle tania, aby można było finansować badania i rozwój. Jeśli proces jest zbyt kosztowny, trend umiera.
Nie nazywamy tego „prawem”, ponieważ wszechświata nie interesują nasze ramy czasowe. Nie ma fundamentalnej zasady, że nowy zintegrowany chip musi być dwa razy mocniejszy od poprzedniego. Jest to samospełniająca się przepowiednia. Firmy takie jak Intel wydają miliardy dolarów, aby dotrzymać kroku konkurencji. Robią to z dumy. Robią to, aby zdominować rynek. Ale czy przepowiednia sprzed prawie 50 lat jest nadal aktualna?
Skoki kwantowe
Krótka odpowiedź brzmi: tak, ale z zastrzeżeniami. Definicja „podwojenia” uległa zmianie. Nie dodajemy już tylko tranzystorów. Zmieniamy zasadę ich pracy.
Spójrz na jak skala współczesnych żetonów. Nie chodzi tylko o zmniejszenie rozmiaru kropek. Mówimy o układaniu 3D. Producenci wychodzą poza tradycyjną płaszczyznę 2D. Układają warstwy pamięci na warstwach logiki. To właśnie w tym tkwią teraz prawdziwe korzyści.
„Prawo Moore’a stało się czymś w rodzaju samospełniającej się przepowiedni, w miarę jak producenci chipów ścigają się, by dotrzymać kroku konkurencji”.
Dlaczego jest to dla Ciebie ważne? Ponieważ Twój telefon, laptop i inteligentna lodówka opierają się na tym skalowaniu. Kiedy tempo podwojenia maleje, ceny rosną. Produktywność osiąga plateau. Można to zauważyć, gdy nowe urządzenie nie wydaje się „dwa razy szybsze” od starego.
Ekonomia malejących zysków
Oto brudny sekret produkcji chipów. Koszt wytworzenia każdej kolejnej generacji chipów wzrasta. Fabryka produkująca chipy 14 nm kosztuje mniej niż fabryka produkująca chipy 3 nm. Koszty badań i rozwoju są astronomiczne.
W ten sposób „prawo” się nagina. Nie pęka. Jest po prostu drożej. Firmy znajdują nowe sposoby na zwiększenie gęstości. Wykorzystują litografię w ekstremalnym ultrafiolecie (EUV). Przeprojektowują architekturę. Cel pozostaje ten sam: zmieścić więcej komponentów na mniejszej przestrzeni. Ale koszt każdego tranzystora rośnie.
Czy ten trend będzie kontynuowany? Prawdopodobnie. Zmienia się jednak definicja „więcej komponentów”. Nie chodzi tylko o ilość. Chodzi o jakość. I o wydajności.
Następny krok nie polega wyłącznie na redukcji rozmiarów. To jest wzrost inteligencji. A to kosztuje.
Co roku ktoś ogłasza śmierć prawa Moore’a. Krytycy zwykle się mylą. Tranzystory wewnątrz procesora są teraz tak małe, że nie można ich zobaczyć nawet pod mikroskopem świetlnym. Zagłębiliśmy się w nanoskalę. Fizyka się tu zmienia. Klasyczne zasady już nie obowiązują. Mechanika kwantowa wkracza na scenę. Sprawy stają się dziwne.
Weźmy tunelowanie kwantowe. Pomyśl o elektronie nie jak o stałej kuli, ale jak o fali. Fala ma kształt – krzywiznę w kształcie dzwonu. Wąskie „ogony” pokazują, gdzie może znajdować się elektron. Szeroka środkowa część wskazuje, gdzie prawdopodobnie się znajduje. Teraz wyobraź sobie, jak ta fala zderza się z barierą – przerwą między dwoma przewodnikami. Jeśli fala dotrze na drugą stronę, elektron ma szansę tam dotrzeć. Przebija tunel przez barierę. Według fizyki klasycznej nie powinien był tego robić. Ale on to robi.
Stwarza to problemy dla chipów. Mikroprocesor jest systemem transportu elektronów. Tranzystory działają jak bramki kontrolujące przepływ. Zamknięta brama blokuje ruch. Ale jeśli za mocno ściśniesz te bramy, uderzysz w ścianę kwantową. Elektrony zaczynają przepływać przez barierę. Komputer otrzymuje uszkodzone dane. Obliczenia zawodzą.
Inżynierowie borykają się z tym od lat. Zmienili materiały, stworzyli trójwymiarowe zawory i zwiększyli wydajność. Dzięki temu zyskaliśmy na czasie. Ale prawo Moore’a przetrwało z innego powodu. Stale zmieniamy definicję prawa Moore’a.
Co dokładnie dzisiaj przewiduje prawo Moore’a?
Początkowa obserwacja była prosta. Gordon Moore, współzałożyciel Intela, zauważył, że liczba tranzystorów w chipie podwaja się mniej więcej co dwa lata. To tyle z przewidywań. Oto całe prawo.
Dziś nikt już nie mierzy liczby tranzystorów. To jest zbyt głośne. Zbyt trudno jest policzyć małe struktury 3D. Branża skupiła się na wskaźnikach. Teraz patrzymy na wydajność na wat. Lub na częstotliwości zegara. Lub po prostu dlatego, że chipy stają się coraz tańsze w przeliczeniu na jednostkę wydajności.
Kiedy ludzie pytają, w jaki sposób prawo Moore’a jest nadal aktualne, odpowiedź jest taka, że nie jest to już przewidywanie dotyczące geometrii. To prognoza dotycząca gospodarki. Chipsy są wciąż coraz bardziej wydajne. Nadal zapewniają większą moc obliczeniową za te same lub mniejsze pieniądze. Krzywa zostaje utrzymana. Nie dlatego, że tranzystory są coraz mniejsze, ale dlatego, że inżynierowie są coraz mądrzejsi w kwestii ich rozmieszczenia.
Przejdź od rozmiaru do architektury
Uderzyliśmy w ścianę z tranzystorami planarnymi. Tranzystor planarny można obniżyć tylko do tego stopnia, zanim upływ prądu zniszczy baterię i procesor. Rozwiązaniem nie były tylko cieńsze przewody. Chodziło o wykorzystanie przestrzeni pionowej.
FinFET przybyły na scenę. Tranzystory te owijają się wokół kanału jak płetwa w wodzie. Zapewniają bramie lepszą kontrolę nad przepływem elektronów. Mniej wycieków. Wyższa produktywność. Ta zmiana architektoniczna umożliwiła branży dalsze podwajanie produktywności, nawet gdy fizyczne rozmiary poszczególnych komponentów przestały się zmniejszać w tym samym tempie.
Potem rozpoczęła się rewolucja wielordzeniowa. Jeśli jeden rdzeń nie może działać znacznie szybciej, dodaj więcej rdzeni. Zmieniło to jakie wskaźniki mają znaczenie. Nie chodziło tylko o prędkość. Chodziło o przepustowość. Potrzebowały tego urządzenia mobilne. Serwery tego potrzebowały. Definicja „postępu” została rozszerzona i obejmuje współbieżność.
Dlaczego jest to ważne przy następnej aktualizacji
Nie musisz znać mechaniki kwantowej, żeby się tym przejmować. Martwisz się, ponieważ Twoje oczekiwania są kształtowane przez to „prawo”. Jeśli prawo Moore’a nie żyje, można by pomyśleć, że nadeszła stagnacja technologiczna. Ale to nieprawda. Metody się po prostu zmieniły.
Przechodzimy od skalowania gęstości do dedykowanej akceleracji. GPUTP. Neuroprocesory. Układy te opierają się na czymś więcej niż tylko na małych tranzystorach. Opierają się na architekturze przeznaczonej do konkretnych zadań. To nowa granica dla prawa. Chodzi o to, żeby zrobić więcej przy mniejszych zasobach.
Koniec prawa Moore’a to mit. Definicja po prostu się zmienia. I wciąż idziemy do przodu.
Prawo Moore’a nigdy nie było kojarzone z fizyką. Chodziło o konkretną obietnicę: liczba dyskretnych elementów nowo wyprodukowanego układu scalonego powinna się podwajać co dwanaście miesięcy. Teraz trochę dostosowujemy tę liczbę. Znawcy branży mówią o 18-24 miesiącach. I nie liczymy już tylko elementów.
Zmieniliśmy cele. Nowoczesna interpretacja Prawa Moore’a koncentruje się na mocy obliczeniowej, a nie na komponentach fizycznych. Pomysł jest na tyle prosty, że można go z grubsza oszacować. Daj branży 18-24 miesiące. Obserwuj dwukrotnie prędkość swojego mikroprocesora. Nie oznacza to, że chip z 2012 roku ma dwa razy więcej tranzystorów niż chip z 2010 roku. Oznacza to, że znaleźliśmy lepsze sposoby zaprojektowania chipa. Wydajność przewyższa surową objętość. Wzrost prędkości uzyskujemy bez konieczności wykładniczego zwiększania liczby komponentów.
Takie przemyślenie prawa przedłuża jego użyteczność. Producenci łączą nowe technologie produkcyjne z ulepszoną architekturą. Nadążają za tempem zmian. Uwaga pozostaje aktualna.
Czy wymyślenie na nowo prawa Moore’a to mistyfikacja?
To uczucie powstaje. Gordon Moore przewidział w 1965 r., że chip stworzony do 1975 r. będzie zawierał 65 000 tranzystorów. Okazało się, że miał rację. Dziś Intel produkuje procesory z 2,6 miliarda tranzystorów. Matematyka się zmieniła. Gęstość komponentów jest niesamowicie wysoka. Komputery przetwarzają dane szybciej niż kiedykolwiek wcześniej. Dzisiejszy komputer domowy ma taką samą moc, jak niektóre wczesne superkomputery kilkadziesiąt lat temu.
Ale czy to ma znaczenie, jeśli nie podwoimy dosłownie liczby tranzystorów? Jeśli żyjemy w epoce post-PC, jak kiedyś zasugerował Steve Jobs, być może surowa moc jest mniej ważna. Być może ważniejsze są przenośność i efektywność energetyczna. Jeśli tak, prawo Moore’a kończy się nie dlatego, że osiągnęliśmy fizyczną granicę. Kończy się, bo przestaje mieć sens ekonomiczny. Po co ciągle przesuwać granice, jeśli rynek nie ceni dodatkowych ticków?
Kto naprawdę potrzebuje tej mocy?
Niektórzy nabywcy nadal wymagają najwyższych standardów. Miłośnicy gier wideo tego potrzebują. Pożądają tego profesjonaliści pracujący z mediami wysokiej rozdzielczości. Potrzebują każdej uncji mocy obliczeniowej, jaką tylko mogą uzyskać.
A co z resztą z nas?
Możemy zamienić nasze komputery osobiste w głupie terminale. Do wszystkiego mamy dostęp poprzez chmurę. Ale chmura to nie magia. To jest komputer kogoś innego. Gdzieś musi być maszyna z wydajnym procesorem, która poradzi sobie z tym obciążeniem. Następuje zmiana popytu. To nie znika.
W dłuższym okresie możemy zaobserwować kolejną korektę Prawa Moore’a. Definicję można jeszcze bardziej rozciągnąć. Procesory mogą rzadziej podwajać swoją moc. Dzięki swojej burzliwej historii koncepcja ta prawdopodobnie pozostanie z nami. Przeżyje w takiej czy innej formie.
Notatka autora
Często zadawane pytania
Co w prostych słowach oznacza prawo Moore’a?
Prawo Moore’a to zasada mówiąca, że liczba tranzystorów w mikroprocesorze podwaja się co dwa lata. Gordon Moore sformułował to prawo w 1965 roku.
