Mooreov zakon: podvojitev tranzistorjev in vpliv na polprevodnike

Mooreov zakon razkriva, kako podvojitev tranzistorjev poganja revolucijo polprevodnikov, dvig zmogljivosti čipov in izzive prihodnjega upočasnjevanja napredka.

Moorov zakon pravi, da se število tranzistorjev na integriranih vezjih podvoji približno vsaki dve leti. Intelov izvršni direktor David House je dodatno navedel obdobje 18 mesecev; s tem je nameraval poudariti hitrost rasti dejanske procesne zmogljivosti čipov, ki je rezultat tako večjega števila tranzistorjev kot tudi njihove večje hitrosti.

Zakon je poimenovan po soustanovitelju družbe Intel Gordonu Mooru, ki je ta trend opisal v članku iz leta 1965. V njem je izpostavil, da se je število komponent v integriranih vezjih od izuma integriranega vezja leta 1958 do leta 1965 vsako leto približno podvojilo, in napovedal, da se bo ta rast nadaljevala "vsaj deset let". Njegova opazka se je izkazala za presenetljivo trajno: trend eksponentne rasti se je nadaljeval več desetletij in je postal temelj načrtovanja v industriji polprevodnikov.

Zakaj je Moorov zakon deloval

Empirična napoved: Moorov zakon ni temeljil na fizikalnem zakonu, temveč na opazovanju tehnološke in inženirske zmogljivosti. Dve glavni sili sta pripomogli k dolgoletnemu veljanju:

• napredek v litografiji in procesnih tehnologijah, ki je omogočil zmanjševanje dimenzij tranzistorjev (čim manjši "nm" vozli),
• ekonomski mehanizmi inovacij — podjetja in raziskovalne skupine so si zastavila cilje, ki so izhajali iz pričakovanja Moorovega zakona, kar je usmerjalo vlaganja v raziskave in razvoj.

Vpliv na strojno opremo in gospodarstvo

Zmogljivosti številnih digitalnih elektronskih naprav so tesno povezane z Moorovim zakonom: hitrost obdelave, zmogljivost pomnilnika, senzorji ter celo število in velikost slikovnih pik v digitalnih fotoaparatih so se izboljševali z približno eksponentno hitrostjo. Poleg hitrosti in zmogljivosti se je skozi desetletja občutno znižala tudi cena na tranzistor, kar je omogočilo masovno uporabo računalnikov in vgrajenih sistemov.

To eksponentno izboljšanje je močno povečalo vpliv digitalne elektronike na svetovno gospodarstvo. Moorov zakon je bil gonilna sila tehnoloških in družbenih sprememb v poznem 20. in zgodnjem 21. stoletju, saj je spodbudil razvoj novih aplikacij in industrij — od mobilnih naprav do podatkovnih centrov, interneta stvari in umetne inteligence.

Omejitve in upočasnitev

V zadnjem delu prvega četrtletja 21. stoletja sta se pojavila dva pomembna problema, ki sta začela upočasnjevati strogo upoštevanje Moorovega zakona:

• fizikalne meje: pri zelo majhnih dimenzijah tranzistorjev se povečujeta kvantno tuneliranje in variabilnost naprav, pojavljajo se težave s toplotnim razvejanjem in stabilnostjo električnih lastnosti;
• ekonomske omejitve: stroški izgradnje in opremljanja naprednih čistih sob in tovarn za naslednje procesne vozle (fab) so eksplodirali, kar zmanjšuje ekonomsko smiselnost hitrega prehajanja na manjše vozle.

Poleg tega je prekinitve klasične Dennardove skalabilnosti okoli sredine 2000-ih (Dennard scaling je pomenil, da se ob zmanjševanju tranzistorjev ohranja tudi moč na enoto površine) privedla do težav z razpršitvijo toplote. To je zmanjšalo možnost enostavnega povečanja frekvence in pospešilo prehod industrije k večjedrnim arhitekturam in specializiranim pospeševalnikom (GPU, TPU, ASIC).

Kako se industrija prilagaja

Ker se hitrost izmeničnega zmanjševanja dimenzij upočasnjuje, so se pojavile nove strategije za nadaljnjo rast zmogljivosti:

• tehnike 3D-integracije in sticanja čipov (stacking, through-silicon vias) za gostejše pakiranje funkcij,
• napredne litografije, kot je EUV (extreme ultraviolet), ki je omogočila proizvodnjo manjših vozlov,
• uporaba novih materialov in tranzistorski konceptov (npr. FINFET, GAAFET),
• arhitekturne spremembe: heterogeni sistemi, chiplet arhitektura in specializirani pospeševalniki za specifična opravila,
• razvoj alternativnih računalniških paradigm, kot so kvantno računanje, neuromorfno računalništvo in optične komponente — še vedno v zgodnjih fazah, a z velikim potencialom.

Industrijski načrti in raziskovalne skupine (npr. različne verzije mednarodnih načrtov za polprevodnike, vključno z IRDS) so prešli z striktne napovedi tempa podvajanja na strateški dogovor o mejnikih tehnologije, učinkovitosti in integracije funkcij.

Stanje v zadnjem času in pomen

Trend se je nadaljeval več kot pol stoletja, vendar je Intel že leta 2015 priznal upočasnitev. Brian Krzanich, izvršni direktor družbe Intel takrat, je povedal, da je "naša kadenca danes bližje dvema letoma in pol kot dvema". To odraža dejstvo, da se čas med koraki tehnološkega vozla povečuje, medtem ko se podjetja preusmerjajo na optimizacijo porabe energije, integracijo različnih komponent in povečanje funkcionalnosti na nivoju sistema, ne le gostote tranzistorjev.

Ključna točka: Moorov zakon je bil več kot matematična napoved — postal je samoumeven cilj in motivacija za inženiring, proizvodnjo in raziskave. Čeprav se izvorna, strogo eksponentna različica upočasnjuje, vpliv in filozofija izjemnega tehnološkega napredka, ki jo je simboliziral, še vedno oblikujeta razvoj sodobnih računalniških sistemov.

V prihodnje bo usmeritev manj v slepo podvajanje števila tranzistorjev in bolj v kombinacijo procesnega napredka, pakiranja, arhitekturnih inovacij ter novih materialov in konceptov — vse z namenom nadaljnjega povečevanja zmogljivosti, energetske učinkovitosti in uporabne vrednosti čipov.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je Moorov zakon?

V: Kdo je napovedal to obdobje za podvojitev zmogljivosti čipov?

V: Kdaj je bil ta trend prvič opisan?

V: Kako natančna je bila napoved?

V: Kateri so nekateri učinki digitalne elektronike zaradi Moorovega zakona?

V: Kako dolgo se je ta trend nadaljeval?

V: Ali se je v zadnjem času kaj spremenilo glede pogostosti podvajanja komponent na integriranih vezjih?

Išči po črki