Гордон мур закон мура

В 1965 году один из основателей корпорации Intel Гордон Мур впервые заметил, что каждые два года количество транзисторов на квадратный дюйм интегральных схем увеличивается в два раза. Основываясь на этих данных, он сформулировал так называемый закон Мура, согласно которому вычислительная мощность компьютеров экспоненциально увеличивается каждые два года. Чуть позже, когда темпы производства немного замедлились, другой сотрудник Intel Давид Хаус снизил этот показатель до 18 месяцев. Однако сейчас эта константа развития вычислительной техники практически не работает. «Хайтек» разобрался, как сейчас развивается компьютерный рынок и как в 2019 году создаются процессоры и другие важнейшие вычислительные устройства.

Как появился закон Мура

Гордон Мур в своем прогнозе 1965 года предсказал, что за десять лет — к 1975 году — количество элементов в каждом чипе вырастет с 26 (64 единицы) до 216 (65 536 единиц). По словам Мура, при сохранении такой тенденции мощности процессоров за достаточно короткий промежуток времени будут расти экспоненциально — то есть в два раза, именно это и стало называться законом Мура.

Почти через 40 лет после своего прогноза, в 2003 году, Мур начал сомневаться в продолжительности действия такого развития вычислительной техники. В своей научной работе No Exponential is Forever: But Forever Can Be Delayed! («Экспоненциальный рост не вечен, но эту вечность можно отложить!» — «Хайтек») он пояснил, что такой рост величин в течение длительного времени практически невозможен, поскольку техника в том виде, в котором она существовала, постоянно упирается в различные именно физические пределы. Для радикального роста инженерам приходилось достаточно сильно менять саму структуру транзисторов и открывать новые материалы, из которых их можно собирать.

Транзисторы. История появления

Транзистором называют радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, который на сегодняшний день является основным рабочим компонентом всех электронных устройств и микросхем. Он может от небольшого входного сигнала управлять током в выходной цепи, что позволяет его использовать для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов.

Первый транзистор появился спустя десятилетия исследований ученых со всего мира у группы физиков под руководством Джозефа Бекера. Их финансировала компания Bell Telephone Laboratories, одна из самых наукоемких и богатых в США рубежа 1940-х. Еще один физик, Уильям Браттейн, спустя многолетние не очень удачные исследования твердотельных приборов однажды случайно сблизил два игольчатых электрода на поверхности германия, да еще перепутал полярность напряжений питания, и вдруг заметил влияние тока одного электрода на ток другого. Уже через полгода — к середине 1947 года — у них заработал первый твердотельный усилитель, который считают первым в мире транзистором.

Bell Labs сразу оформила патент на это изобретение, но технология была очень нестабильной и имела массу проблем. Первые транзисторы, поступившие в продажу в 1948 году, работали ненадежно — если их потрясти, коэффициент усиления резко менялся, а при нагревании устройства совсем переставали работать.

В 1952 году Bell Labs решила предоставить права на изготовления транзистора всем компаниям, которые смогут заплатить $25 тыс. за пользование патентом. И уже в 1953 году на рынке появилось первое коммерческое изделие на основе транзисторов — слуховой аппарат от пионера в этой области Джона Килби из компании Centralab.

После этого транзисторы заменили все радиолампы в электронных устройствах. Начиная с первых транзисторов по сегодняшний день, все микросхемы используются в качестве так называемых планарных или плоских транзисторов. Последние 50 лет инженеры пытались уменьшить размеры транзисторов, чтобы на одну плату могло влезть как можно больше подобных схем. Например, если в 1965 году в микросхему можно было встроить 30 транзисторов, то теперь — около 55 млн.

Во время эволюции транзисторов менялись не только их размеры, но и материалы, а также геометрия и технологии производства. При этом уменьшение транзистора влияет и на его рабочие характеристики, поскольку уменьшив его, например, в пять раз, увеличивается его скорость работы — тоже в пять раз.

Основная проблема, связанная с уменьшением размера транзистора, сталкивается с тем, что увеличение количества транзисторов приводит к росту потребляемой мощности и обычному перегреву микросхемы. Он происходит из-за утечки тока через слой диэлектрика, который приходится также снижать при уменьшении самого транзистора.

Альтернативой обычным стали SOI-транзисторы, в которых слой диэлектрика добавляют вглубь кремния для остановки утечки тока. Это позволяет даже повысить скорость работы транзисторов на 25%, однако у технологии есть и недостаток. Для работы таких схем необходимо повышать напряжение, что негативно сказывается на характеристиках. Таким образом, обычные кремниевые транзисторы подошли к физическому пределу, для преодоления которого ученым приходится не просто менять принцип работы устройства, а создавать новые схемы передачи электронов. Из-за этого закон Мура сейчас практически перестал работать.

Сейчас ученые активно развивают технологию создания вакуумных транзисторов, поскольку вакуум — намного более выгодная среда для передачи электронов, нежели твердое тело. Вакуумное устройство может стать первым полноценным терагерцевым транзистором, работающим намного быстрее кремниевых. Еще одной заменой кремниевых могут стать графеновые или состоящие из нанотрубок устройства, однако все эти технологии пока находятся на стадии разработки.

Закон Мура больше не работает?

Уже в 2007 году сам Мур заявил, что действие этого закона больше невозможно из-за фундаментальных причин — атомарной природы вещества и ограничения скорости света, которое не позволяет процессорам работать еще быстрее.

Критика закона Мура появилась почти сразу после его появления. Одним из самых уязвимых мест этой концепции был пункт, что при экспоненциальном увеличении мощностей процессоров их стоимость каждый раз уменьшается примерно на такой же порядок. Если в 1969 году стоимость создания первого персонального компьютера H316 от компании Honeywell составляла более $10 тыс., то к 1971 году она должна была снизиться до $5 тыс., а к 1973 году — до $2,5 тыс.. Однако в 1975 году фирма MOS Technology, Inc. начала производство компьютера KIM-1, который стоил $245.

Постоянно критиковались не только финансовые стороны этого закона, но и невозможность переложить его на другие сферы. В 1983 году издание Scientific American в своем материале заявило, что «закон Мура абсолютно невозможно использовать не только в промышленности в широком смысле этого слова, но и практически во всех отраслях, смежных с вычислительной техникой».

Если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как промышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолет Boeing 767 стоил бы $500 и совершал облет земного шара за 20 минут, затрачивая при этом пять галлонов (

18,9 л) топлива. Приведенные цифры весьма точно отражают снижение стоимости, рост быстродействия и повышение экономичности ЭВМ.

Scientific American

Существует также закон Рока, названный в честь известнейшего инвестора Артура Рока. Согласно ему, размер прибыли компании по производству таких чипов также должен удваиваться каждые четыре года. По сути, закон Рока можно рассматривать как обратную сторону закона Мура, когда развитие технологий рассматривается только с экономической точки зрения.

Артур Рок отмечал, что закон Мура может работать только в случае роста прибыли корпораций, которые занимаются созданием вычислительной техники. Если достаточно капиталоемкая полупроводниковая промышленность начинает приносить большую прибыль, инвесторы начинают еще больше вкладывать деньги в эту отрасль, что снова дает резкий рост технической стороне.

При этом за последние 50 лет стоимость производства транзисторов упала в тысячи раз, и сейчас она обходится не дороже цены, которую в типографии берут за один знак, например, за точку.

По прогнозам, закон Мура будет действовать, хоть и в несколько видоизмененном формате, до конца 2025 года. В 2014 году компания Intel заявила, что темпы разработки транзисторов уменьшились, а сроки работы закона Мура скорректировались до 2,5 лет. Как будет развиваться вычислительная техника после 2025 года, до конца не ясно.

Сейчас только две компании смогли создать транзисторы с такими техническими характеристиками и стоимостью, которые соответствовали бы прогнозам Мура — корпорации TSMC и Samsung Electronics, с производственными узлами в 10 нм, 7 нм и 5 нм (и еще планируют узлы в 3 нм). При этом темпы Intel и других бывших лидеров этого направления достаточно сильно упали.

Тем более, что еще в 2012 году исследовательская группа из Университета Нового Южного Уэльса объявила о разработке первого рабочего транзистора, состоящего из одного атома, размещенного точно в кристалле кремния (а не только из большой выборки случайных транзисторов). Закон Мура предсказал, что этот рубеж будет достигнут только к 2020 году. После создания такого типа транзисторов технологиям будет практически некуда развиваться дальше.

Многие участники рынка предполагают, что очередная революция в вычислительной технике произойдет с появлением первых квантовых компьютеров. Однако сейчас, даже несмотря на появление громких новостей, до его создания пока достаточно далеко.

Квантовый компьютер считается потенциальным вычислительным устройством следующего поколения, который будет работать на явлениях квантовой механики — квантовой суперпозиции и квантовой запутанности. В отличие от обычных компьютеров, он будет оперировать не битами с возможными значениями 0 или 1, а кубитами — они будут иметь одновременно значение и 0, и 1.

Теоретически это позволит обрабатывать все возможные состояния кубита одновременно, значительно увеличивая скорость работы компьютера. На сегодняшний день реально работающих квантовых компьютеров пока не существует.

Еще одним вектором для развития вычислительной техники может являться более традиционный подход — в частности, создание новых материалов, из которых можно собирать транзисторы. Ведь первоначально проводники делались из различных металлов с легирующими примесями — индия, галлия и алюминия, но постепенно инженеры начали экспериментировать над разными материалами для полупроводниковых транзисторов. В том числе начал использоваться германий, на смену которому пришел кремний — он используется и на сегодняшний день. Каждый используемый материал обладал собственной скоростью передачи электронов, а также уникальными характеристиками, например, теплопередачей или мощностью работы. Обычный кремниевый транзистор не может работать под напряжением более 1 кВ, тогда как вакуумные лампы намного эффективнее их в этом вопросе.

Другие эксперты считают, что будущее вычислительной техники — за соединением искусственного интеллекта и органических веществ для создания биокомпьютера. Однако такие разработки пока находятся несколько на периферии технологической мысли или в области научной фантастики.

Зако́н Му́ра (англ. Moore’s law ) — эмпирическое наблюдение, изначально сделанное Гордоном Муром, согласно которому (в современной формулировке) количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца. Часто цитируемый интервал в 18 месяцев связан с прогнозом Давида Хауса из Intel, по мнению которого, производительность процессоров должна удваиваться каждые 18 месяцев из-за сочетания роста количества транзисторов и увеличения тактовых частот процессоров [1] .

Рост числа транзисторов на кристалле микропроцессора показан на графике справа. Точки соответствуют наблюдаемым данным, а прямая — периоду удвоения в 24 месяца.

История [ править | править код ]

В 1965 году (через шесть лет после изобретения интегральной схемы) один из основателей Intel Гордон Мур в процессе подготовки выступления нашел закономерность: появление новых моделей микросхем наблюдалось спустя примерно год после предшественников, при этом количество транзисторов в них возрастало каждый раз приблизительно вдвое. Он предсказал, что к 1975 году количество элементов в чипе вырастет до 2 16 (65536) с 2 6 (64) в 1965 году [1] . Мур пришел к выводу, что при сохранении этой тенденции мощность вычислительных устройств за относительно короткий промежуток времени может вырасти экспоненциально. [ источник не указан 814 дней ] Это наблюдение получило название — закон Мура.

В 1975 году Гордон Мур внёс в свой закон коррективы, согласно которым удвоение числа транзисторов будет происходить каждые два года (24 месяца) [2] [1] .

Существует масса схожих утверждений, которые характеризуют процессы экспоненциального роста, также именуемых «законами Мура». К примеру, менее известный «второй закон Мура» [3] , введённый в 1998 году Юджином Мейераном, который гласит, что стоимость фабрик по производству микросхем экспоненциально возрастает с усложнением производимых микросхем. Так, стоимость фабрики, на которой корпорация Intel производила микросхемы динамической памяти ёмкостью 1 Кбит, составляла $4 млн , а оборудование по производству микропроцессора Pentium по 0,6-микрометровой технологии с 5,5 млн транзисторов обошлось в $2 млрд . Стоимость же Fab32, завода по производству процессоров на базе 45-нм техпроцесса, составила $3 млрд [4] .

По поводу эффектов, обусловленных законом Мура, в журнале «В мире науки» как-то было приведено такое интересное сравнение:

«Если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как промышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолёт Boeing 767 стоил бы 500 долл. и совершал облёт земного шара за 20 минут, затрачивая при этом пять галлонов (

18,9 л) топлива. Приведенные цифры весьма точно отражают снижение стоимости, рост быстродействия и повышение экономичности ЭВМ».

В 2003 году Мур опубликовал работу «No Exponential is Forever: But „Forever“ Can Be Delayed!», в которой признал, что экспоненциальный рост физических величин в течение длительного времени невозможен, и постоянно достигаются те или иные пределы. Лишь эволюция транзисторов и технологий их изготовления позволяла продлить действие закона ещё на несколько поколений [6] .

В 2007 году Мур заявил, что закон, очевидно, скоро перестанет действовать из-за атомарной природы вещества и ограничения скорости света [7] .

Следствия и ограничения [ править | править код ]

Параллелизм и закон Мура [ править | править код ]

В последнее время, чтобы получить возможность задействовать на практике ту дополнительную вычислительную мощность, которую предсказывает закон Мура, стало необходимо задействовать параллельные вычисления. На протяжении многих лет производители процессоров постоянно увеличивали тактовую частоту и параллелизм на уровне инструкций, так что на новых процессорах старые однопоточные приложения исполнялись быстрее без каких-либо изменений в программном коде. [8] Примерно с середины десятилетия 2000-х годов по разным причинам производители процессоров предпочитают многоядерные архитектуры, и для получения всей выгоды от возросшей производительности ЦП программы должны переписываться в соответствующей манере. Однако не каждый алгоритм поддается распараллеливанию, определяя, таким образом, фундаментальный предел эффективности решения вычислительной задачи согласно закону Амдала.

Ученые из Австралии смогли создать транзистор на основе одного атома на восемь лет раньше, чем это возможно согласно легендарному закону Мура, который мировая ИТ-индустрия десятилетия принимала за аксиому.

Содержание

1965: Мур формулирует предположение

Закон Мура — эмпирическое наблюдение, сделанное в 1965 году (через шесть лет после изобретения интегральной схемы), в процессе подготовки выступления Гордоном Муром (одним из основателей Intel).

Зависимость числа транзисторов на кристалле микропроцессора от времени. Обратите внимание, что вертикальная ось имеет логарифмическую шкалу, то есть кривая соответствует экспоненциальному закону — количество транзисторов удваивается примерно каждые 2 года.

Мур высказал предположение, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые 24 месяца. При анализе графика роста производительности запоминающих микросхем им была обнаружена закономерность: появление новых моделей микросхем наблюдалось спустя примерно одинаковые периоды (18—24 мес.) после предшественников, при этом количество транзисторов в них возрастало каждый раз приблизительно вдвое. Гордон Мур пришел к выводу, что при сохранении этой тенденции мощность вычислительных устройств за относительно короткий промежуток времени может вырасти экспоненциально.

Это наблюдение получило название закон Мура. Существует масса схожих утверждений, которые характеризуют процессы экспоненциального роста, также именуемых «законами Мура». К примеру, менее известный «второй закон Мура», введённый в 1998 году Юджином Мейераном, который гласит, что стоимость фабрик по производству микросхем экспоненциально возрастает с усложнением производимых микросхем. Так, стоимость фабрики, на которой корпорация Intel производила микросхемы динамической памяти ёмкостью 1 Кбит, составляла 4 млн. $, а оборудование по производству микропроцессора Pentium по 0,6-микрометровой технологии c 5,5 млн. транзисторов обошлось в 2 млрд. $. Стоимость же Fab32, завода по производству процессоров на базе 45-нм техпроцесса, составила 3 млрд. $.

По поводу эффектов, обусловленных законом Мура, в журнале «В мире науки» как-то было приведено такое интересное сравнение:

«Если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как промышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолёт Boeing 767 стоил бы 500 долл. и совершал облёт земного шара за 20 минут, затрачивая при этом пять галлонов (

18,9 л) топлива. Приведенные цифры весьма точно отражают снижение стоимости, рост быстродействия и повышение экономичности ЭВМ». — Журнал «В мире науки» (1983, № 10)[3] (русское издание «Scientific American»)

В 2007 году Мур заявил, что закон, очевидно, скоро перестанет действовать из-за атомарной природы вещества и ограничения скорости света.

Одним из физических ограничений на миниатюризацию электронных схем является также Принцип Ландауэра, согласно которому логические схемы, не являющиеся обратимыми, должны выделять теплоту в количестве, пропорциональном количеству стираемых (безвозвратно потерянных) данных. Возможности по отводу теплоты физически ограничены.

Параллелизм и закон Мура

В последнее время, чтобы получить возможность задействовать на практике ту дополнительную вычислительную мощность, которую предсказывает закон Мура, стало необходимо задействовать параллельные вычисления. На протяжении многих лет, производители процессоров постоянно увеличивали тактовую частоту и параллелизм на уровне инструкций, так что на новых процессорах старые однопоточные приложения исполнялись быстрее без каких либо изменений в программном коде. Сейчас по разным причинам производители процессоров предпочитают многоядерные архитектуры, и для получения всей выгоды от возросшей производительности ЦП программы должны переписываться в соответствующей манере. Однако, по фундаментальным причинам, это возможно не всегда.

2012: Опровержение закона Мура

С 1954 года, когода научный сотрудник Texas Instruments Джордж Тиль (George Teal) создал первый кремниевый транзистор, инновационные решения позволили постепенно уменьшать и уменьшать размер этих электронных компонентов, что привело к созданию компьютеров и мобильных устройств современного типа.

Одно устройство может содержать миллиарды транзисторов, которые работают вместе для выполнения простых двоичных вычислений. Чем больше транзисторов находится на единицу площади, тем быстрее производятся расчеты и тем больше информации компьютеры могут обработать и сохранить, одновременно затрачивая меньше энергии.

В прошлом уже были созданы одноатомные транзисторы. Но к сегодняшнему дню в их использовании была достигнута погрешность в 10 нанометров (нанометр равен одной миллиардной метра). Но для одноатомного транзистора, чтобы он мог использоваться в реальных устройствах, требуется расположение одного атома точно на кремниевом чипе. По данным журнала о нанотехнологиях Nature Nanotechnology, именного этого и удалось достичь исследователям.

Они использовали сканирующий туннельный микроскоп (устройство, которое позволяет исследователям видеть атомы и обеспечить точность манипуляций с ними) ученые проделали узкий канал в кремниевой базе. Затем был применен газ фосфин, с помощью которого был помещен отдельный атом фосфора между двумя электродами в нужной области. Когда электрический ток проходит через такое устройство, оно усиливает и передает электрический сигнал, что и является основным принципом работы любого транзистора.

Так что достижение ученых из Австралии приблизило человечество еще на один шаг к созданию квантовых компьютеров. Удивительно также и то, что команда бросила вызов закону Мура (основывается на публикации Гордона Мура (Gordon Moore) в журнале Electronics Magazine в 1965 году). Согласно этому закону, число транзисторов, размещающихся на одной схеме, удваивается каждые 18-24 месяцев. Так что, по прогнозам Мура, одноатомные транзисторы должны появиться не раньше 2020 года. Однако это произошло на 8 лет раньше.

Мишель Симмонс (Michelle Simmons), директор ARC Centre for Quantum Computation and Communications и глава исследовательской группы, заявил: «Мы решили 10 лет назад, что создадим одноатомный транзистор так быстро, как это будет возможно, и тем самым опровергнем этот закон. И вот мы сделали это в 2012 году».

Однако до реального использования таких транзисторов пройдет еще 15-20 лет. Дело в том, что работающий образец функционирует только при температуре минус 391 градус в пределах лаборатории, так что является всего лишь доказательством концепции.

2015: Intel верит в дальнейшее соблюдение закона Мура

На конференции International Sol >[1]

По словам ведущего специалиста Intel Марка Бора (Mark Bohr), несмотря на всеобщую борьбу с растущими расходами на полупроводниковые пластины, компания продолжает увеличивать в микросхемах плотность транзисторов и снижать себестоимость каждого из них, и делает это быстрее в случае с 14 нм по сравнению с предыдущими технологиями. Эти темпы сохранятся на 10 и 7 нм шаге за счет масштабирования, позволяющего повысить степень интеграции и удешевить стоимость одного транзистора, заявил Бор.

Intel уверена, что стоимость транзисторов будет по-прежнему снижаться по мере освоения передовых техпроцессов

Стоит отметить, что Intel начала 14-нм производство с запозданием примерно на 6-9 месяцев относительно планируемых сроков. Несмотря на это американская корпорация опередила конкурентов, и к концу февраля 2015 года лишь она предлагает 14-нм процессоры, а TSMC, Samsung и GlobalFoundries только-только приноравливаются к выпуску 16-нм продукции с сохранением 20-нм геометрии в металлических слоях.

Intel обещает коммерческое освоение 10-нм техпроцесса в 2016 году и планирует использовать 7-нм технологию в 2018-м. Еще через два года компания рассчитывает на переход к 5 нм.

Сделать это без инноваций будет трудно. Они обязательно появятся, поскольку именно так было в последние годы, уверен Марк Бор, ссылаясь на закон Мура, предполагающий, что вычислительная мощность удваивается каждые 24 месяца.

При освоении передовых проектных норм Intel, возможно, будет применять упаковку чипов типа 2,5D (слои помещаются рядом друг с другом) и 3D (слои располагаются поверх друг друга). При этом корпорация продолжает поиск новых эффективных с точки зрения себестоимости решений.

Глава полупроводникового подразделения Samsung Кинам Ким (Kinam Kim) заявил, что CMOS-транзисторы теоретически можно уменьшить до норм 3-5 нм. Вместе с тем топ-менеджер согласился с тем, что технологии ниже 10 нм требуют новых подходов.