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.
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.
19 апреля одно из самых недооценённых правил в истории отметило день рождения. Закон Мура, пророческое наблюдение из статьи в Electronics Magazine от со-основателя компании Intel Гордона Мура, который стал основополагающим принципом развития технологий.
7 интересных фактов о Законе Мура
1. Это наблюдение, а не закон. Законы не меняются. Наблюдения могут меняться. Классическое определение закона Мура гласит, что число транзисторов на чипе удваивается каждые два года. С 1965 по 1975 год их число удваивалось каждый год. Примерно с 2008 года темп замедлился от 2,5 до 3 лет. Никогда темпы не составляли раз в 18 месяцев, хотя это самая известная версия. Так что к долговечности закона добавляется гибкость. Сам Мур не называл его законом.
«Закон Мура стали применять ко всему, что растёт в геометрической прогрессии, и я рад иметь к этому отношение», пошутил Мур однажды.
Гордон Мур — один из основателей Intel
2. Всё зависит от него. Венчурные капиталисты не вкладывают средства в ведущие полупроводниковые компании, начинающие предприниматели мечтают о запуске сайтов, а Apple стала одной из самых ценных компаний в мире технологий, продавая устройства как роскошь. Полупроводники примерно так же «круты», как вакуумные трубки, на замену которым они пришли. Но без работы, выполненный в неприметных бежевых зданиях, мы бы не имели современных технологий. Если мы до сих пор использовали технологию времён начала Технологической революции, iPhone сейчас был бы размером с пароход. Сотовые вышки соперничали бы в размерах с монументом Вашингтона, а датацентры Google потребляли бы столько же энергии, сколько весь Манхэттен.
На протяжении многих лет люди утверждали, что развитие транзисторов неважно. Ряд статей в 2003 году за авторством Марка Андреессена и Эрика Шмидта говорили о том, что аппаратное обеспечение даёт более высокую производительность, чем необходимо. Всего через несколько месяцев Wi-Fi стал глобальный сенсацией, и появились Facebook и YouTube.
Дайте людям дешёвые транзисторы и они найдут способ использовать их.
3. Почему закон работает? Потому что сокращаются размеры. Количество транзисторов удваивается в значительной степени потому, что менеджеры могут заставить инженеров уменьшать их в постоянном темпе. Уменьшая транзисторы, вы сокращаете расстояние для пробега электронов. Это, в свою очередь, повышает производительность. Более высокопроизводительные небольшие чипы могут быть получены из пластины тех же размеров, нежели более старые, сложные и медленные. Это означает, что при одних и те же основных капитальных затратах можно получать дополнительную прибыль.
Том Ли из Стэнфорда отметил, что полупроводниковая промышленность остается практически неизменной: она выпускает чипов на примерно 300 млрд. долларов в год, которые могли бы покрыть площадь около 300 акров. Однако стоимость этих чипов растёт астрономически.
В большинстве отраслей промышленности это не так. Если пекарня решила сократить количество теста в каждом печенье, его вкус не станет лучше и доходы не вырастут вдвое. Печенье просто станет меньше.
4. Промышленный оптимизм. Один из самых недооцененных аспектов закона Мура: несмотря на высокие затраты и технические проблемы, технология неизменно становится лучшей и более безопасной инвестицией, нежели практически всё остальные, потому что будущее в определённой степени является предсказуемым. Инвестирование миллиардов в новые фабрики или энергоэффективные центры обработки данных влечёт за собой риск, но гораздо меньший, чем бурение нефти в Арктике.
5. Компании следуют закону Мура не потому что хотят, а потому что должны. Риск всё же имеется. Почему производители процессоров не остановятся или замедлятся? Потому что их обойдут конкуренты.
6. Мур тоже ошибался. Он как-то предсказал, что кремниевые пластины, из которых делаются чипы, будут 56 дюймов и более в диаметре к 2005 году и продолжат расти. На самом деле сейчас их размер составляет 450 миллиметров или около 18 дюймов. Увеличение пластин оказалась более сложной и дорогостоящей задачей, чем ожидалось.
Через пять лет после публикации Мур написал другую часть предсказаний будущего электроники, согласно которой компания Ovonics сможет изменить рынок памяти к концу десятилетия. Спустя 45 лет и миллиарды вложенных долларов вклад Ovonics оказался почти незаметным.
7. Когда закон Мура прекратит работать? У миниатюризации есть пределы. Исследователи говорят, что мы можем упереться в физические пределы сокращения размеров транзисторов к 2021 году. После этого придётся начинать расщеплять атомы.
Но значит ли это, что технологическая промышленность тоже упрётся в стену? Ни за что. Ведущие производители чипов начинают выпускать процессоры с трёхмерными транзисторами. Вместо уменьшения расстояния между транзисторами они укладываются поверх друг друга. Выход для движения вперёд ищется постоянно.
На видео: Просто и понятно о законе Мура за минуту.