Закон Мура
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 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 .
Следствия и ограничения
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.
См. также
- Закон гиперболического роста численности населения Земли
Примечания
Ссылки
- Закон Мура Воплощается в жизнь благодаря инновациям Intel
Wikimedia Foundation . 2010 .
- Memory Stick
- Брынкуши, Константин
Смотреть что такое "Закон Мура" в других словарях:
Закон мура - Увеличение количества транзисторов по времени. Количество удваивается каждые 2 года Закон Мура эмпирическое наблюдение, сделанное в 1965 году (через шесть лет после изобретения интегральной схемы), в процессе подготовки выступления Гордоном… … Википедия
Закон Мура - Moore s Law Закон Мура Эмпирическое наблюдение, сделанное в 1965 году (через шесть лет после изобретения интегральной схемы) одним из основателей корпорации «Intel» Гордоном Муром: число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые 24… … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М.
Закон Гроша - Законом Гроша называют следующее замечание о производительности компьютеров, сделанное Хербом Грошем в 1965 году: Существует фундаментальное правило, которое я скромно называю законом Гроша: получение добавочной экономии есть только квадратный… … Википедия
Закон Амдала - Ускорение программы с помощью параллельных вычислений на нескольких процессорах ограничено размером последовательной части программы. Например, если можно распараллелить 95% программы, то теоретически максимальное ускорение составит 20×, невзирая … Википедия
Закон Вирта - это полушутливое высказывание, популяризированное Никлаусом Виртом в 1995 году. Звучит оно так: … Википедия
Мур, Гордон - У этого термина существуют и другие значения, см. Мур. Гордон Мур Gordon Moore … Википедия
Мур Гордон - Гордон Мур Gordon Moore основатель Имя при рождении: Gordon Earle Moore Дата рождения: 3 январ … Википедия
Международный план по развитию полупроводниковой технологии - (англ. International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS) набор документов, выпускаемый группой экспертов полупроводниковой промышленности. Эти эксперты являются представителями спонсирующих организаций, которые включают в себя … Википедия
Intel - (Интел) Компания Intel, история компании, деятельность компании Информация о компании Intel, история компании, деятельность компании Содержание Содержание Core Описание Intel Продукция фирмы Intel Технические характеристики Преимущества и… … Энциклопедия инвестора
Будущее - У этого термина существуют и другие значения, см. Будущее (значения). Антонио Сант’Элиа Урбанистический рисунок в футуристическом стиле Будущее часть лин … Википедия
- Перевод
Примечание. Дата публикации статьи: 26.12.2015. За прошедшее время некоторые тезисы автора подтвердились реальными фактами, а некоторые оказались ошибочными - прим. пер.
В последние 40 лет мы видели, как скорость компьютеров росла экспоненциально. У сегодняшних CPU тактовая частота в тысячу раз выше, чем у первых персональных компьютеров в начале 1980-х. Объём оперативной памяти на компьютере вырос в десять тысяч раз, а ёмкость жёсткого диска увеличилась более чем в сто тысяч раз. Мы так привыкли к этому непрерывному росту, что почти считаем его законом природы и называем законом Мура. Но есть пределы этому росту, на которые указал и сам Гордон Мур . Мы сейчас приближаемся к физическому пределу, где скорость вычислений ограничена размером атома и скоростью света.
Канонические часы Тик-так от Intel начали пропускать такты то здесь, то там. Каждый «тик» соответствует уменьшению размера транзисторов, а каждый «так» - улучшение микроархитектуры. Нынешнее поколение процессоров под названием Skylake - это «так» с 14-нанометровым технологическим процессом. Логически, следующим должен стать «тик» с 10-нанометровым техпроцессом, но Intel теперь выдаёт «циклы обновления» после каждого «так». Следующий процессор, анонсированный на 2016 год, станет обновлением Skylake, всё ещё на 14-нанометровом техпроцессе . Замедление часов Тик-так - это физическая необходимость, потому что мы приближаемся к лимиту, где размер транзистора составляет всего несколько атомов (размер атома кремния - 0,2 нанометра).
Другое физическое ограничение - это скорость передачи данных, которая не может превышать скорость света. Требуется несколько тактовых циклов, чтобы данные попали из одного конца CPU в другой конец. По мере того как микросхемы становятся крупнее с большим и большим количеством транзисторов, скорость начинает ограничиваться самой передачей данных на микросхеме.
Технологические ограничения - не единственная вещь, которая замедляет эволюцию процессоров. Другим фактором является ослабление рыночной конкуренции. Крупнейший конкурент Intel, компания AMD, сейчас больше внимания уделяет тому, что она называет APU (Accelerated Processing Units), то есть процессорам меньшего размера с интегрированной графикой для мини-ПК, планшетов и других ультра-мобильных устройств. Intel теперь завладела подавляющей долей рынка процессоров для высококлассных ПК и серверов. Свирепая конкуренция между Intel и AMD, которая несколько десятилетий толкала вперёд развитие процессоров x86, практически исчезла.
Рост компьютерной мощи в последние годы идёт не столько от увеличения скорости вычислений, сколько от усиления параллелизма. В современных микропроцессорах используется три типа параллелизма:
- Одновременное выполнение нескольких команд с изменением их очерёдности.
- Операции Single-Operation-Multiple-Data (SIMD) в векторных регистрах.
- Несколько ядер CPU на одной микросхеме.
В нынешних процессорах с набором инструкций AVX2 есть 16 векторных регистров по 256 бит. Грядущий набор инструкций AVX-512 даст нам 32 регистра по 512 бит, и вполне можно ожидать в будущем расширения на 1024- или 2048-битные векторы. Но эти увеличения векторных регистров будут давать всё меньший эффект. Немногие вычислительные задачи имеют достаточный встроенный параллелизм, чтобы извлечь выгоду из этих векторов большего размера. 512-битные векторные регистры соединяются набором регистров маски, у которых ограничение на размер 64 бита. 2048-битные векторные регистры смогут хранить 64 числа одинарной точности по 32 бита каждое. Можно предположить, что Intel не планирует делать векторные регистры более чем 2048 бита, поскольку они превзойдут ограничения 64-битных регистров маски.
Многочисленные ядра CPU дают преимущество только если имеется множество критических к скорости одновременно работающих программ или если задача делится на многочисленные независимые потоки. Количество потоков, на которые можно с выгодой разделить задачу, всегда ограничено.
Производители без сомнения постараются делать всё более и более мощные компьютеры, но какова вероятность, что эту компьютерная мощь можно будет использовать на практике?
Существует четвёртая возможность параллелизма, которая пока не используется. В программах обычно полно веток if-else, так что если CPU научатся предсказывать, какая из веток сработает, то можно было бы поставить её на выполнение. Можно выполнять одновременно сразу несколько веток кода, чтобы избежать потери времени, если предсказание окажется неправильным. Конечно, за это придётся заплатить повышенным энергопотреблением.
Другое возможное улучшение - разместить программируемое логическое устройство на микросхеме процессора. Подобная комбинация сейчас является обычным делом для так называемых FPGA, которые используются в продвинутой аппаратуре. Такие программируемые логические устройства в персональных компьютерах можно использовать для реализации функций, специфических для конкретных приложений, для задач вроде обработки изображений, шифрования, сжатия данных и нейросетей.
Полупроводниковая индустрия экспериментирует с материалами, которые можно использовать вместо кремния. Некоторые полупроводниковые материалы III-V способны работать на более низком напряжении и на более высоких частотах, чем кремний , но они не делают атомы меньше или свет медленнее. Физические ограничения по-прежнему в силе.
Когда-нибудь мы можем увидеть трёхмерные многослойные чипы. Это позволит уплотнить схемы, уменьшить расстояния, а следовательно, и задержки. Но как эффективно охлаждать такой чип, когда энергия распространяется повсюду внутри него? Потребуются новые технологии охлаждения. Микросхема не сможет передавать питание на все схемы одновременно без перегрева. Ей придётся держать отключенными большинство своих частей основную часть времени и подавать питание в каждую часть только во время её использования.
В последние годы скорость CPU увеличивается быстрее, чем скорость RAM, которая часто становится серьёзным узким местом. Без сомнения, в будущем мы увидим много попыток увеличить скорость оперативной памяти. Вероятной разработкой будет поместить оперативную память на одну микросхему с CPU (или хотя бы в один корпус), чтобы уменьшить расстояние для передачи данных. Это будет полезное использование трёхмерных чипов. Вероятно, RAM будет статического типа, то есть на каждую ячейку памяти будет подаваться питание только когда к ней осуществляется доступ.
Intel также снабжает рынок суперкомпьютеров для научного использования. У процессора Knight"s Corner - до 61 ядра на одной микросхеме. Он имеет слабое соотношение производительность/цена, но его ожидаемый наследник Knight"s Landing должен быть лучше по этому показателю. Он вместит до 72 ядер на чипе и сможет выполнять команды с изменением их очерёдности. Это маленький нишевый рынок, но Intel может повысить свой авторитет.
Сейчас лучшие возможности по улучшению производительности, как я думаю, с программной стороны. Разработчики ПО быстро нашли применение экспоненциальному росту производительности современных компьютеров, который произошёл благодаря закону Мура. Программная индустрия стала использовать её, а также начала использовать более и более продвинутые инструменты разработки и программные фреймворки. Эти высокоуровневые инструменты разработки и фреймворки сделали возможным ускорить разработку ПО, но за счёт потребления большего количества вычислительных ресурсов конечным продуктом. Многие из сегодняшних программ довольно расточительны в своём чрезмерном потреблении аппаратной вычислительной мощности.
На протяжении многих лет мы наблюдали симбиоз между аппаратной и программной индустриями, где последняя производила всё более продвинутые и ресурсоёмкие продукты, которые подталкивали пользователей покупать всё более мощное оборудование. Поскольку скорость роста аппаратных технологий замедлилась, а пользователи перешли на маленькие портативные устройства, где ёмкость батареи важнее, чем производительность, программной индустрии теперь придётся изменить курс. Ей придётся урезать ресурсоёмкие инструменты разработки и многоуровневый софт и разрабатывать программы, не так набитые функциями. Сроки разработки увеличатся, но программы станут потреблять меньше аппаратных ресурсов и быстрее работать на маленьких портативных устройствах с ограниченным ресурсом батареи. Если индустрия коммерческого ПО сейчас не изменит курс, то может уступить долю рынка более аскетичным продуктам open source.
Журнал Electronics в 1965 году опубликовал широко известную сейчас статью об объединении компонентов интегральных систем, автором которой был Гордон Мур, в будущем основавший корпорацию Intel. Кстати, оригинал документа, а точнее, его скан-копия, хранится в музее корпорации. Конечно же, виртуальном.
Невероятный прогноз
В то время Мур был директором отдела разработок в Fairchild Semiconductor. Он провел анализ развития компьютерной техники за последние шесть лет и сделал прогноз на следующие десять. По эмпирическому закону Мура, среднее число транзисторов в микросхемах будет удваиваться каждый год.
Эта особенность, выявленная опытным путем, и стала называться законом Мура (в оригинале - Moore’s Law), и стала одним из самых известных законов в сфере компьютерных технологий. Гордон Мур буквально задал темпы развития технологий, и уже четыре десятилетия разработчики процессоров следуют ему, вольно или невольно. Подобно закону Мерфи, его нельзя назвать физическим, математическим, да и вообще научным, он - только метко подмеченное эмпирическое правило, говорящее об экспоненциальном характере развития одной из технологических сфер.
С помощью него оказалось очень удобно прогнозировать деятельность IT-компаний, поэтому закон Мура полюбился многим маркетологам и директорам микроэлектронных корпораций.
Кто он такой?
Гордон Мур стал одним из основателей корпорации Intel. Следующие семь лет занимал пост вице-президента компании, а в 1975 году занял должность президента и главного управляющего. До 1979 года Гордон Мур занимал оба поста, но покинул должность президента и занял место в совете директоров. Был главным управляющим в компании "Интел" вплоть до 1987 года, а пост председателя занимал до 1997 года. В этом же году ему было присуждено звание "почетный председатель совета директоров". Сейчас Гордону Муру почти девяноста лет, он по-прежнему является почетным председателем Intel и живет на солнечных Гавайях.
Во времена Мура
Да, темпы развития технологий поражают. Если сейчас электроника может управлять практически всем, то еще сорок лет назад, во времена Гордона Мура, эта сфера только начинала развиваться. Компания Texas Instrument запустила первую микросхему 12 сентября 1958 года (к слову, в 2000 году за нее была получена Нобелевская премия в области физики). Современная микроэлектроника обязана своим появлением Джеку Килби и Роберту Нойсу, который наряду с Муром являлся основателем компании Intel. Создание микросхемы не требовало гениальных открытий в сфере, однако Нойсом и Килби была придумана технология, перевернувшая всю электронную промышленность.
К 1965 году, когда было опубликовано знаменитое высказывание Мура, самая сложная микросхема насчитывала 64 транзистора, поэтому можно удивляться, как Гордон Мур смог вывести такую поражающе точную статистику, которая задала темп развитию отрасли электронных технологий на десятилетия вперед.
Новая формулировка
Спустя десять лет Мур, убедившись, что правило действительно работает, слегка скорректировал его. В своем выступлении на конференции International Electron Devices Meeting (кстати, документ тоже можно посмотреть в виртуальном музее компании "Интел") он сказал, что за последние десять лет число элементов, содержащихся в кристаллах, удваивалось, но сложность устройства чипов растет. Поэтому современный закон Мура гласит: количество транзисторов будет удваиваться не каждый год, а каждые два.
И его предположение снова подтвердилось. Обновленный закон Мура продолжает действовать до сих пор, произошло лишь небольшое ускорение: удвоение происходит за восемнадцать месяцев, это легко заметить, если проанализировать технические характеристики продуктов компании Intel.
А в 2003 году Мур в своей новой работе заявил, что увеличение физических величин по экспоненте не может продолжаться бесконечно, рано или поздно будут достигнуты пределы. В свое время закон Мура продолжил существовать благодаря эволюции технологий и транзисторов. В 2007 году основатель "Интела" также сказал, что скоро закон перестанет действовать из-за скорости света и того, что все вещества имеют атомарную природу.
Название
На самом деле Гордон Мур и не предполагал, что вокруг его высказывания развернется такая шумиха, и название "закон Мура" придумал, по словам самого Гордона, Карвери Мид. Однако это правило подхватили все, оно стало настолько разрекламировано, что казалось и кажется до сих пор незыблемой истиной и подстегивает производителей работать в таких темпах. Однако и самим компаниям факт существования и популярность правила выгодны - они могут использовать его в качестве рекламы. Например, один из рекламных лозунгов компании Intel гласит, что их инновации продолжают воплощать в жизнь закон Мура.
О числах
Для примера будет интересно проследить, как увеличивалось количество транзисторов с годами на примере продуктов корпорации Intel. В 1971 году процессор 4004 имел 2,3 тысячи транзисторов. Впечатляет, если сравнить с 64 транзисторами в 1965 году. В 1974 был выпущен Intel 8080, показатель которого - пять тысяч. Спустя четыре года в процессоре 8086 их насчитывалось уже 29 тысяч! В 1982 году - 120 тысяч, а в 1985 - 275 тысяч. Названия в виде цифр запоминаются не слишком хорошо, а вот процессор Pentium знаком, пожалуй, всем. Первая модель была выпущена в 1993 году. Число транзисторов в "Пентиуме" - более трех миллионов, в Pentium ll - 7,5 миллиона, а в третьем - 24. Новое поколение, получившее название Itanium, было выпущено в 2002 году. Этот процессор насчитывал 220 миллионов транзисторов, а в 2005 модели Itanium Montecito это количество увеличилось до 1,72 миллиарда.
Интерпретации
Существует также несколько вариантов определений, объясняющих суть закона Мура. По одному из них, удваивается не количество транзисторов как таковое, а наиболее выгодное их число. Вторая интерпретация гласит, что растет потенциально возможное количество элементов. По третьей, раз в восемнадцать месяцев появляется процессор, имеющий производительность в два раза большую, чем предыдущий.
Есть и некоторые другие параметры, которые описывает закон Мура. Формулировка следующей интерпретации такова: каждые два года в два раза вырастают такие параметры, как тактовая частота процессоров и вычислительная мощность компьютера. Одна из самых любопытных и в то же время практичных версий закона гласит, что растет вычислительная мощность, доступная за один доллар.
Интересно, что по этому поводу думает и говорит сам Гордон Мур: закон Мура, по его словам, не подтверждается с точностью, он просто доступно и наглядно представляет темпы развития технологий, а шумиха вокруг него - возможно, всего лишь отличный ход маркетологов, ведь именно корпорация Intel особенно любит держать его на слуху. Но все же высказывание подхвачено компьютерщиками и явно пришлось им по душе.
О программах
На практике задействовать ту мощность, которую предполагает эмпирический закон Мура, невозможно без задействования параллельных вычислений. При производстве процессоров в течение долгого времени увеличивалась тактовая частота, а также имело место параллельное выполнение инструкций. Однако на деле получалось так, что новые процессоры выполняют однопоточные программы старого образца гораздо быстрее, при этом не изменяя программный код. Однако современные производители используют многоядерную архитектуру, поэтому чтобы использовать всю выгоду от повышения производительности, необходимо переписывать и программы, однако это не всегда возможно воплотить в жизнь. К тому же увеличение производительности за счет параллеизма ограничено, о чем гласит другое правило.
Закон Амдала
В 1967 году появился еще один закон, который, в отличие от закона Мура, действительно имеет математическое подтверждение. Согласно закону Амдала, производительность за счет распараллеливания вычислений не может расти бесконечно: на сколько бы частей ни была разделена задача, общее время ее выполнения не будет меньше времени, которое требуется на решение самого сложного и длинного фрагмента. Также время ограничено наличием в задаче фрагментов, для которых обязательно последовательное исполнение.
Действие закона Мура легко проследить на простом примере. Допустим, компьютер выполняет производство составляющих для автомобиля. Несмотря на то что каждая деталь производится одновременно с остальными, общее время никак не может быть меньше, чем нужно для работы над самой сложной деталью. Вторую часть закона, говорящую о последовательности исполнения, объясняет следующий пример. Положим, компьютеру необходимо выполнить простую задачу: сложить в ящик яблоки. Если задействовано единственное ядро, то яблоки будут укладываться по одному. Если же структура процесса многоядерная, и возможно многопоточное исполнение, компьютер сможет класть одновременно столько яблок, сколько имеется свободных ядер. Однако если, допустим, человеку необходимо, чтобы компьютер сложил яблоки и посчитал их количество, то в этом примере можно проследить не только необходимость последовательного исполнения, но и эволюцию алгоритма программы. Каждое ядро положит яблоко и "запишет", сколько их оно отправило в ящик. Затем, во втором процессе, каждое ядро предоставит информацию о положенных яблоках, и путем сложения будет определено общее число.
Закон Мура и квантовый компьютер
Когда прекратится действие закона Мура? Можно предположить, что он будет работать до тех пор, пока микросхемы имеют транзисторы. Однако человечество уже ведет разработки компьютера нового поколения, действие которого основано на квантовых эффектах. Принципиальное различие состоит в действии элементарных единиц. В привычном нам компьютере используется двоичный код, в котором любое значение кодируется нолями и единицами. Соответственно, элементарная единица - бит - может иметь лишь одно значение - ноль или единицу.
Действие же квантового компьютера основано на применении эффекта суперпозиции, так что квантовый бит, или кьюбит, сможет иметь сразу два значения, таким образом, быстродействие возрастет в несколько десятков, а то и сотен раз. Квантовые компьютеры уже существуют, однако имеют вид огромных машин, исполняющих лишь самые простые операции, как когда-то традиционные компьютеры. Однако пока закон Гордона Мура продолжает действовать.
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.
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) (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
Исследователи из Университета Нового Южного Уэльса (University of New South Wales) совершили очередной прорыв в развитии компьютерной отрасли: им впервые удалось создать рабочий транзистор на базе одного атома.
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 Solid-State Circuits Conference (ISSCC), которая с 22 по 26 февраля 2015 года прошла в Сан-Франциско, участники полупроводниковой отрасли рассказали о своих достижениях и планах в части освоения «тонких» технологических норм. Добраться до 10 нм чипмейкеры смогут при помощи нынешних технологий, но дальнейшее развитие осложнится, поэтому производителям потребуются новые решения.
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.
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.
