В 1965 году исследователь по имени Гордон Мур написал небольшую статью для журнала Electronics. В то время он возглавлял отдел исследований и разработок компании Fairchild Semiconductor. Заголовок был предельно лаконичным: «Упаковка большего числа компонентов в интегральные схемы».
Мур заметил одну конкретную тенденцию. Такие компании, как Fairchild, удваивали количество дискретных компонентов на одном квадратном дюйме кремния каждые 12 месяцев. Это экспоненциальный рост. Если бы вы взяли чип 1964 года и сравнили его с чипом 1965 года, то новый вариант содержал бы в два раза больше транзисторов. Он предсказал, что это будет продолжаться. Бесконечно. До тех пор, пока в дело не вмешаются законы физики.
Два столпа закона Мура
Наблюдение Мура не было магией. Оно опиралось на два хрупких основания. Во-первых, необходимы технологические достижения. Нужно найти способ уменьшать размеры элементов. Во-вторых, необходима экономика. Массовое производство должно быть достаточно дешевым, чтобы финансировать исследования и разработки. Если процесс обходится слишком дорого, тенденция умирает.
Мы не называем это «законом», потому что вселенной нет дела до наших временных рамок. Не существует фундаментального правила, согласно которому новый интегральный чип должен быть вдвое мощнее предыдущего. Это самосбывающееся пророчество. Такие компании, как Intel, тратят миллиарды долларов, чтобы успевать за конкурентами. Они делают это из гордости. Они делают это, чтобы доминировать на рынке. Но актуально ли предсказание, которому почти 50 лет?
Квантовые скачки
Краткий ответ — да, но с оговорками. Определение «удвоения» изменилось. Мы больше не просто добавляем транзисторы. Мы меняем принцип их работы.
Посмотрите на то, как масштабируются современные чипы. Речь идет не только об уменьшении размера точек. Речь идет о 3D-стекировании. Производители выходят за пределы традиционной 2D-плоскости. Они укладывают слои памяти поверх слоев логики. Именно здесь сейчас скрываются реальные преимущества.
«Закон Мура превратился в своего рода самосбывающееся пророчество, поскольку производители чипов стремятся успевать за конкурентами».
Почему это важно для вас? Потому что ваш телефон, ноутбук и умный холодильник полагаются на это масштабирование. Когда темпы удвоения замедляются, цены растут. Производительность выходит на плато. Вы замечаете это, когда новое устройство не кажется «вдвое быстрее» старого.
Экономика убывающей отдачи
Вот грязная тайна производства чипов. Стоимость производства каждого последующего поколения чипов растет. Завод, выпускающий 14-нанометровые чипы, обходится дешевле, чем завод, производящий 3-нанометровые чипы. Затраты на исследования и разработки астрономические.
Таким образом, «закон» изгибается. Он не ломается. Он просто становится дороже. Компании находят новые способы увеличения плотности. Они используют экстремальную ультрафиолетовую (EUV) литографию. Они перепроектируют архитектуры. Цель остается прежней: разместить больше компонентов в меньшем пространстве. Но стоимость каждого транзистора растет.
Будет ли эта тенденция продолжаться? Вероятно. Но определение «большего количества компонентов» меняется. Речь идет не только о количестве. Речь идет о качестве. И об эффективности.
Следующий скачок — это не просто уменьшение размеров. Это повышение интеллектуальности. А это стоит денег.
Каждый год кто-то объявляет о смерти закона Мура. Критики обычно оказываются не правы. Транзисторы внутри вашего процессора теперь настолько малы, что их невозможно увидеть даже в световой микроскоп. Мы глубоко погрузились в наномасштаб. Физика здесь меняется. Классические правила перестают действовать. На сцену выходит квантовая механика. Всё становится странным.
Возьмём квантовое туннелирование. Представьте электрон не как твёрдый шарик, а как волну. У волны есть форма — колоколообразная кривая. Узкие «хвосты» показывают, где электрон может находиться. Широкая центральная часть указывает, где он вероятнее всего находится. Теперь представьте, как эта волна сталкивается с барьером — разрывом между двумя проводниками. Если волна достигает другой стороны, у электрона появляется шанс оказаться там. Он туннелирует сквозь барьер. По классической физике он не должен был бы этого делать. Но он это делает.
Это создаёт проблемы для чипов. Микропроцессор — это дорожная система для электронов. Транзисторы выступают в роли шлюзов, контролирующих поток. Закрытый шлюз блокирует движение. Но если сжать эти шлюзы слишком сильно, вы упрётесь в квантовую стену. Электроны начинают протекать сквозь барьер. Компьютер получает искажённые данные. Вычисления дают сбой.
Инженеры борются с этим уже много лет. Они меняли материалы, создавали трёхмерные затворы, повышали эффективность. Это позволило выиграть время. Но закон Мура выживает по другой причине. Мы постоянно меняем определение «закона Мура».
Что именно предсказывает закон Мура сегодня?
Исходное наблюдение было простым. Гордон Мур, сооснователь Intel, заметил, что количество транзисторов на чипе удваивается примерно каждые два года. Вот и всё предсказание. Вот и весь закон.
Сегодня никто больше не измеряет количество транзисторов. Это слишком зашумлённый показатель. Слишком сложно подсчитывать крошечные трёхмерные структуры. Индустрия сместила фокус метрики. Теперь мы смотрим на производительность на ватт. Или на тактовую частоту. Или просто на то, что чипы становятся дешевле на единицу производительности.
Когда люди спрашивают, как закон Мура всё ещё актуален, ответ заключается в том, что это больше не предсказание о геометрии. Это предсказание об экономике. Чипы по-прежнему становятся эффективнее. Они по-прежнему обеспечивают больше вычислительной мощности за те же или меньшие деньги. Кривая сохраняется. Не потому, что транзисторы становятся меньше, а потому, что инженеры становятся умнее в том, как их размещать.
Сдвиг от размера к архитектуре
Мы уперлись в стену с планарными транзисторами. Плоский транзистор можно уменьшать лишь до определённого предела, прежде чем утечки тока уничтожат батарею и процессор. Решение заключалось не просто в более тонких проводах. Оно заключалось в использовании вертикального пространства.
На сцену вышли FinFET. Эти транзисторы обхватывают канал, подобно плавнику в воде. Они обеспечивают затвору лучший контроль над потоком электронов. Меньше утечек. Выше производительность. Этот архитектурный сдвиг позволил индустрии продолжать удваивать производительность, даже если физический размер отдельных компонентов перестал уменьшаться с той же скоростью.
Затем началась революция многоядерности. Если одно ядро не может работать значительно быстрее, добавьте больше ядер. Это изменило то, какие метрики имеют значение. Речь шла не только о скорости. Речь шла о пропускной способности. Мобильным устройствам это было необходимо. Серверам это было необходимо. Определение «прогресса» расширилось, включив в себя параллелизм.
Почему это важно для вашего следующего обновления
Вам не нужно знать квантовую механику, чтобы это волновало. Вы волнуетесь, потому что ваши ожидания формируются этим «законом». Если закон Мура мёртв, вы можете подумать, что технологический застой наступил. Но это не так. Просто изменились методы.
Мы переходим от масштабирования плотности к специализированному ускорению. GPU. TPU. Нейропроцессоры. Эти чипы полагаются не только на крошечные транзисторы. Они полагаются на архитектуру, разработанную для конкретных задач. Это новый рубеж закона. Речь идёт о том, чтобы делать больше с меньшими ресурсами.
Конец закона Мура — это миф. Определение просто смещается. И мы всё ещё движемся вперёд.
Закон Мура никогда не был связан с физикой. Речь шла о конкретном обещании: количество дискретных компонентов на новом изготовленном интегральном схеме должно удваиваться каждые двенадцать месяцев. Сейчас мы немного корректируем это число. Инсайдеры отрасли говорят о 18–24 месяцах. И мы больше не считаем только элементы.
Мы сместили целевые показатели. Современная интерпретация закона Мура сосредоточена на вычислительной мощности, а не на физических компонентах. Идея достаточно проста для грубой оценки. Дайте индустрии 18–24 месяца. Наблюдайте, как скорость микропроцессора удваивается. Это не означает, что в чипе 2012 года транзисторов в два раза больше, чем в 2010 году. Это означает, что мы нашли лучшие способы проектирования чипа. Эффективность побеждает сырой объем. Мы получаем прирост скорости без необходимости экспоненциального роста количества компонентов.
Переосмысление закона таким образом продлевает его полезность. Производители сочетают новые технологии производства с улучшенной архитектурой. Они успевают за темпом изменений. Наблюдение остается актуальным.
Является ли переосмысление закона Мура обманом?
Такое чувство создается. Гордон Мур предсказал в 1965 году, что чип, созданный к 1975 году, будет содержать 65 000 транзисторов. Он оказался прав. Сегодня Intel выпускает процессоры с 2,6 миллиарда транзисторов. Математика изменилась. Плотность компонентов безумно высока. Компьютеры обрабатывают данные быстрее, чем когда-либо ранее. Домашний ПК сегодня обладает такой же мощностью, как некоторые ранние суперкомпьютеры десятилетия назад.
Но имеет ли значение, если мы не удваиваем количество транзисторов буквально? Если мы живем в пост-ПК эпоху, как однажды предположил Стив Джобс, возможно, сырая мощность менее важна. Возможно, портативность и энергоэффективность имеют большее значение. Если это так, закон Мура заканчивается не потому, что мы уперлись в физический предел. Он заканчивается, потому что перестает иметь экономический смысл. Зачем продолжать расширять границы, если рынок не ценит дополнительные такты?
Кому на самом деле нужна эта мощность?
Некоторые покупатели по-прежнему требуют высочайших стандартов. Энтузиасты видеоигр нуждаются в ней. Профессионалы, работающие с медиа в высоком разрешении, жаждут ее. Им нужна каждая унция вычислительной мощности, которую они могут получить.
А как насчет остальных из нас?
Мы можем превратить наши персональные компьютеры в тупые терминалы. Мы получаем доступ ко всему через облако. Но облако — это не магия. Это чужой компьютер. Где-то должна быть машина с мощным процессором, обрабатывающая эту нагрузку. Сдвиг спроса происходит. Он не исчезает.
Возможно, мы увидим еще одну корректировку закона Мура с более длительным периодом. Определение может быть растянуто еще дальше. Процессоры могут удваивать свою мощность реже. Благодаря своей изменчивой истории, эта концепция, вероятно, останется с нами. В той или иной форме она выживет.
Примечание автора
Часто задаваемые вопросы
Что такое закон Мура простыми словами?
Закон Мура — это принцип, согласно которому количество транзисторов на микропроцессоре удваивается каждые два года. Гордон Мур сформулировал этот закон в 1965 году.
