Содержание
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.
Созданное соучредителем Intel Гордоном Муром в 1965 году, практическое правило, известное как закон Мура, изначально предусматривало удвоение числа транзисторов внутри интегральной схемы каждый год. В 1975 году закон был пересмотрен. В том году Мур сказал, что число компонентов внутри интегральной схемы будет удваиваться каждый год до 1980 года. После этого удвоение будет происходить через год. Улучшения и инновации в производительности мобильных технических устройств, в том числе устройств Apple iPhone и Samsung Galaxy, зависели от того, что этот закон продолжает действовать.
реклама
Как сообщает CNET, соучредитель и генеральный директор NVIDIA Дженсен Хуанг заявил на CES 2019, что закон Мура мертв. Если быть точным, исполнительный директор сказал: «Закон Мура больше не работает». Каждый раз, когда количество транзисторов в микросхеме удваивалось, производительность улучшалась. Самые современные чипы, которые в настоящее время производятся такими компаниями, как Samsung и TSMC, используют процесс 7 нм.
Закон Мура умер в возрасте 51 года после продолжительной болезни.
В 1965 г. один из основателей компании Intel Гордон Мур заметил, что число электронных компонентов в интегральных схемах удваивается примерно каждые 12 месяцев. Кроме того, как много раз говорилось на этом сайте в 2003 г., оптимальное с точки зрения цены количество транзисторов в одной микросхеме удваивалось каждые 12 месяцев. В 1965 г. самая низкая стоимость одного транзистора достигалась при 50‑ти транзисторах на одной микросхеме; Мур предсказал, что в 1970 г. оптимальное количество достигнет 1 000 компонентов на микросхему, а цена за транзистор упадёт до 90 центов.
Кое‑что добавив и упростив, это наблюдение стали называть «Законом Мура»: количество транзисторов на одну микросхему будет удваиваться каждые 12 месяцев.
В этом наблюдении не было ни научной, ни инженерной необходимости. Гордон Мур просто зафиксировал текущее положение дел. Индустрия микроэлектроники приняла эту заметку не только как описание ситуации и предположение о будущем, но и как имеющий силу, директивный закон — цель, к которой должна стремиться вся промышленность.
Достижение этой цели не произошло само собой. Создание кремниевой микросхемы сложный процесс, включающий оборудование, программное обеспечение и сырьё, и всё это исходит от нескольких разных компаний. Чтобы синхронизовать работу отдельных производителей для обеспечения Закона Мура, представители индустрии публиковали графики появления технологий и переходов на новые уровни, необходимых для соблюдения Закона Мура. Ассоциация полупроводниковой промышленности, состоящая преимущественно из компаний Северной Америки и включающая фирмы Intel, AMD, TSMC, GlobalFoundries и IBM, начала публиковать такие графики в 1992 г., а в 1998 г. к ассоциации присоединилось множество организаций со всего мира, чтобы составить Международный план по развитию полупроводниковой технологии. Последний план был опубликован в 2013 г.
Проблемы с оригинальной формулировкой закона проявились уже на ранних стадиях. В 1975 г., собрав больше фактических данных, Гордон Мур внёс корректировки в закон: время удвоения он увеличил с 12 месяцев до 24. Однако на протяжении трёх десятилетий простое пропорциональное уменьшение геометрических размеров — уменьшение всех элементов на микросхеме — обеспечило стабильное соблюдение предсказаний Мура.
В 2000 г. стало ясно, что пропорциональное уменьшение размеров уже подошло к своему пределу, но были разработаны различные технические меры, чтобы продолжать двигаться по кривой закона. При 90 нм был применён напряжённый кремний, при 45 нм — новые материалы для увеличения ёмкости каждого транзистора, наслоённого на кремний. При 22 нм эстафету подхватили транзисторы с тройным затвором.
Подпись к изображению: Экстраполяция оптимального (с точки зрения цены за один компонент) количества электронных компонентов на одной интегральной схеме»
Но и эти техники исчерпали свои возможности. Существуют большие сложности с процессом фотолитографии, используемой для переноса топологии микросхемы на кремниевую подложку: применяемый сегодня свет с длиной волны в 193 нм позволяет достичь разрешения в 14 нм. Применение света с меньшей длиной волны возможно, но усложняет производственный процесс и увеличивает его стоимость. Долгое время была надежда, что фотолитография в глубоком ультрафиолете (экстремальная ультрафиолетовая литография — ЭУФ), в которой используется источник с длиной волны в 13,5 нм, позволит преодолеть это ограничение, но готовые к внедрению в производство технологии ЭУФ обнаружили множество сложностей, связанных с их наладкой.
Даже при использовании ЭУФ всё равно не ясно, насколько ещё возможно уменьшать размеры элементов; при 2 нм транзисторы будут всего 10 атомов в ширину, и вряд ли они будут надёжно работать при таких размерах. Даже если бы эту проблему удалось решить, то встаёт во весь рост угроза большого энергопотребления и рассеяния мощности: по мере уплотнения компоновки транзисторов увеличивается и рассеяние.
Новые технологии, как, например, напряжённый кремний и транзисторы с тройным затвором, потребовали больше десяти лет на внедрение в производство. Разговоры об ЭУФ идут уже ещё дольше. Присутствует также важный фактор стоимости. У Закона Мура есть неприятный аналог — Закон Рока (по имени Артура Рока), в котором говорится, что стоимость фабрик по производству микросхем удваивается каждые 4 года. Можно разработать технологии для увеличения количества транзисторов на микросхеме, но производство соответствующего оборудования может обойтись в запредельную сумму. Ситуация усложняется ростом использования более простых и дешёвых процессоров.
Недавно мы видели, как компании сталкиваются с проблемами по этим причинам. Компания Intel планировала перейти на техпроцесс в 10 нм в 2016 г. с процессорами Cannonlake — переведённой на более тонкий техпроцесс версией 14‑нанометрового процессора Skylake, который поставляется в настоящее время. В июле прошлого года компания изменила свои планы. Новое поколение процессоров Kaby Lake выйдет в 2016 г. и будет производиться по 14‑нанометровому процессу. Выпуск Cannonlake с 10‑нанометровым процессом не отменены, но не ожидаются раньше второй половины 2017 г.
Всё это усугубляется тем, что всё большее количество транзисторов становится всё сложнее применить. В 1980‑х и 1990‑х значение дополнительных транзисторов было очевидным: процессор Pentium был гораздо быстрее процессора 486, Pentium II — гораздо быстрее Pentium и т. д., и т. п. Выполнение вычислительной задачи существенно ускорялось просто за счёт замены процессора, благодаря более быстрому процессору (учитывая развитие от простых процессоров с выполнением инструкций по порядку до сложных суперскалярных с внеочередным исполнением) и благодаря более высокой частоте. В 2000-х развитие в этих направлениях остановилось. Из-за проблем с тепловыделением рост частоты, по большому счёту, прекратился, а повышение производительности каждого отдельного процессорного ядра происходит лишь небольшими порциями. Взамен стали появляться несколько процессорных ядер на одной микросхеме. Это приводит к росту общей теоретической производительности процессора, но в реальности задействовать эти мощности на исполнение программного обеспечения довольно сложно.
Эти трудности означают, что план на основе Закона Мура больше не актуален. В 2014 г. создатели Международного плана по развитию полупроводниковой технологии решили, что следующий выпуск плана не должен соответствовать закону, а в научном журнале Nature («Природа») сообщили, что следующий план, ожидаемый к выходу в грядущем месяце, будет основаться на другом подходе.
Вместо того, чтобы концентрировать внимание на технологиях, применяемых в микросхеме, для создания нового плана будет использоваться подход под названием «Больше, чем закон Мура» («More than Moore»). Рост количества смартфонов и Интернета вещей, например, привёл к тому, что широкий спектр датчиков и процессоров с низким энергопотреблением теперь является важным ориентиром для компаний, производящих микросхемы. Использование высокоинтегрированных процессоров в таких устройствах привело к необходимости создания процессоров, содержащих не только логику и кеш, но и ОЗУ, регулятор мощности, аналоговые модули для навигационных систем, сотовой связи и Wi‑Fi или даже микроэлектромеханические элементы, как гироскопы и акселерометры.
Эти различные компоненты обычно используют разные процессы производства и предъявляют к ним разные требования, поэтому новый план будет содержать программу действий для объединения всего этого множества. Для интеграции различных производственных процессов и для использования различных материалов потребуются новые процессы и поддерживающие технологии. Производителям микросхем для этих новых рынков, внимание к таким вопросам, вероятно, более насущно, чем покорное удвоение количества транзисторов в процессорной логике.
Также будет уделено внимание новым технологиям, не связанным с используемыми сегодня техпроцессами для КМОП. Компания Intel уже объявила, что не будет использовать кремний для 7 нм. Антимонид индия (InSb) и арсенид индия‑галлия (InGaAs) кажутся перспективными и демонстрируют бо́льшую скорость переключения и меньшее энергопотребление, чем кремний. Продолжаются исследования углерода, как в форме нанотрубок, так и в виде графена, так что здесь также ещё могут быть достигнуты высокие показатели.
В то же время, уменьшение размеров, хотя и с более низким приоритетом, всё же остаётся в плане. Вслед за транзисторами с тройным затвором появятся, возможно, в районе 2020 г., транзисторы с круговым затвором и нанопроводы. К середине 2020‑х — монолитные трёхмерные микросхемы, в которых многослойные компоненты встроены в единый цельный кристалл кремния.
Тема дальнейшего уменьшения размеров ещё не закрыта. Использование альтернативных материалов, различных квантовых эффектов или даже таких экзотических технологий, как сверхпроводимость, может снова позволить с лёгкостью масштабировать микросхемы, как это было на протяжении десятилетий, или, может быть, вернуть времена, когда уменьшение происходило с преодолением трудностей, как в последние пятнадцать лет. Возможно, по какой-то существенной причине снова возникнет потребность в процессорах, которые просто быстрее, а не компактнее и потребляют меньше энергии.
Тем не менее на сегодня несоблюдение закона становится нормой. Времена, когда Закон Мура определял будущее развитие событий и был руководством к действию, прошли.