Закон Мура - Moore's law

см. подпись
Полулогарифмический участок из подсчетов транзисторов для микропроцессоров от даты введения, почти в два раза каждые два года.

Закон Мура является наблюдение , что число из транзисторов в плотной интегральной схемы (ИС) удваивается каждые два года. Закон Мура - это наблюдение и проекция исторической тенденции. Это не закон физики , а эмпирическая взаимосвязь, связанная с опытом производства.

Это наблюдение названо в честь Гордона Мура , соучредителя Fairchild Semiconductor и Intel (и бывшего генерального директора последней), который в 1965 году утверждал, что количество компонентов на интегральную схему ежегодно увеличивается вдвое , и прогнозировал, что такие темпы роста будут продолжаться как минимум еще десять лет. В 1975 году, с нетерпением ожидая следующего десятилетия, он пересмотрел прогноз на удвоение каждые два года, совокупный годовой темп роста (CAGR) в 41%. Хотя Мур не использовал эмпирические данные для прогнозирования продолжения исторической тенденции, его прогноз действовал с 1975 года и с тех пор стал известен как «закон».

Прогноз Мура использовался в полупроводниковой промышленности для руководства долгосрочным планированием и постановки целей для исследований и разработок , таким образом функционируя в некоторой степени как самореализующееся пророчество . Достижения в области цифровой электроники , такие как снижение цен на микропроцессоры с корректировкой по качеству , увеличение объема памяти ( ОЗУ и флэш-памяти ), улучшение датчиков и даже количества и размера пикселей в цифровых камерах , прочно связаны с законом Мура. . Эти поэтапные изменения в цифровой электронике стали движущей силой технологических и социальных изменений, производительности и экономического роста.

Эксперты отрасли не пришли к единому мнению, когда именно закон Мура перестанет действовать. Архитекторы микропроцессоров сообщают, что развитие полупроводников во всей отрасли замедлилось примерно с 2010 года, что ниже темпов, предсказываемых законом Мура. Однако с 2018 года ведущие производители полупроводников разработали процессы изготовления ИС в массовом производстве, которые, как утверждается, соответствуют закону Мура.

История

профильная фотография Гордона Мура
Гордон Мур в 2004 году

В 1959 году Дуглас Энгельбарт обсуждал проектируемое уменьшение размера интегральной схемы (ИС) в статье «Микроэлектроника и искусство подобия». Энгельбарт представил свои идеи на Международной конференции по твердотельным схемам 1960 года , где Мур присутствовал в аудитории.

В том же году Мохамед Аталла и Давон Канг изобрели МОП-транзистор ( полевой транзистор металл-оксид-полупроводник), также известный как МОП-транзистор, в Bell Labs . MOSFET был первым по-настоящему компактным транзистором, который можно было миниатюризировать и массово производить для широкого спектра применений, с его высокой масштабируемостью и низким энергопотреблением, что привело к более высокой плотности транзисторов и позволило создавать микросхемы IC с высокой плотностью . В начале 1960-х годов Гордон Э. Мур осознал, что идеальные электрические и масштабные характеристики устройств MOSFET приведут к быстрому увеличению уровней интеграции и беспрецедентному росту электронных приложений.

В 1965 году Гордона Мура, который в то время работал директором по исследованиям и разработкам в Fairchild Semiconductor , попросили внести свой вклад в тридцать пятый юбилейный выпуск журнала Electronics, в котором он предсказал будущее индустрии полупроводниковых компонентов. следующие десять лет. Его ответом стала короткая статья под названием «Втиснуть больше компонентов в интегральные схемы». В своей редакционной статье он предположил, что к 1975 году можно будет содержать до 65 000 компонентов на одном полупроводнике размером в четверть квадратного дюйма.

Сложность минимальной стоимости компонентов увеличивается примерно в два раза в год. Конечно, в краткосрочной перспективе можно ожидать, что эта ставка сохранится, если не повысится. В более долгосрочной перспективе темпы роста несколько более неопределенны, хотя нет оснований полагать, что они не будут оставаться почти постоянными, по крайней мере, в течение 10 лет.

Мур постулировал лог-линейную зависимость между сложностью устройства (более высокая плотность схемы при меньших затратах) и временем. В интервью 2015 года Мур отметил статью 1965 года: «... Я только что произвел безумную экстраполяцию, сказав, что в течение следующих 10 лет она будет удваиваться каждый год».

В 1974 году Роберт Х. Деннард из IBM признал технологию быстрого масштабирования полевых МОП-транзисторов и сформулировал так называемое масштабирование Деннарда , которое описывает, что по мере уменьшения размеров МОП-транзисторов их удельная мощность остается постоянной, так что потребление энергии остается пропорциональным площади. Масштабирование и миниатюризация MOSFET были ключевыми движущими силами закона Мура. Данные, полученные в полупроводниковой промышленности, показывают, что эта обратная зависимость между плотностью мощности и поверхностной плотностью нарушилась в середине 2000-х годов.

На Международной конференции по электронным устройствам IEEE 1975 года Мур пересмотрел свой прогноз, согласно которому сложность полупроводников будет ежегодно удваиваться примерно до 1980 года, после чего она будет снижаться до уровня удвоения примерно каждые два года. Он выделил несколько факторов, способствующих такому экспоненциальному поведению:

  • Появление технологии металл-оксид-полупроводник (МОП)
  • Экспоненциальная скорость увеличения размеров кристалла в сочетании с уменьшением дефектной плотности, в результате чего производители полупроводников могут работать с большими площадями без потери выхода продукции
  • Более точные минимальные размеры
  • То, что Мур назвал «изобретательностью схем и устройств»

Вскоре после 1975 года профессор Калифорнийского технологического института Карвер Мид популяризировал термин «закон Мура». Закон Мура в конечном итоге получил широкое признание в качестве цели полупроводниковой промышленности, и на него ссылались конкурирующие производители полупроводников, стремившиеся увеличить вычислительную мощность. Мур считал свой одноименный закон удивительным и оптимистичным: «Закон Мура является нарушением закона Мерфи . Все становится лучше и лучше». Это наблюдение даже рассматривалось как сбывающееся пророчество .

Период удвоения часто ошибочно принимают за 18 месяцев из-за предсказания коллеги Мура, исполнительного директора Intel Дэвида Хауса. В 1975 году Хаус отметил, что пересмотренный закон Мура об удвоении количества транзисторов каждые 2 года, в свою очередь, означает, что производительность компьютерного чипа будет примерно удваиваться каждые 18 месяцев (без увеличения энергопотребления). Закон Мура тесно связан с масштабированием MOSFET, поскольку быстрое масштабирование и миниатюризация MOSFET является ключевой движущей силой закона Мура. Математически закон Мура предсказывает, что количество транзисторов будет удваиваться каждые 2 года из-за уменьшения размеров транзисторов и других улучшений. Как следствие уменьшения размеров, масштабирование Деннарда предсказало, что потребление энергии на единицу площади останется постоянным. Объединив эти эффекты, Дэвид Хаус пришел к выводу, что производительность компьютерного чипа будет примерно удваиваться каждые 18 месяцев. Также из-за масштабирования Деннарда эта повышенная производительность не будет сопровождаться увеличением мощности, т. Е. Энергоэффективность компьютерных микросхем на основе кремния примерно удваивается каждые 18 месяцев. Масштабирование Деннарда закончилось в 2000-х. Позже Куми показал, что аналогичная скорость повышения эффективности предшествовала кремниевым чипам и закону Мура для таких технологий, как электронные лампы.

Большой ранний портативный компьютер рядом с современным смартфоном
Osborne Исполнительный портативный компьютер, с 1982 года, с Zilog Z80 МГц процессором 4 и 2007 Apple , iPhone с 412 МГц ARM11 CPU; Исполнительный имеет в 100 раз вес, почти в 500 раз превышает объем, примерно в 10 раз с учетом инфляции стоимость, и 1/103 - й с тактовой частотой в устройстве .

Архитекторы микропроцессоров сообщают, что примерно с 2010 года развитие полупроводников во всей отрасли замедлилось ниже темпов, предсказываемых законом Мура. Брайан Кржанич , бывший генеральный директор Intel, назвал пересмотр Мура 1975 года прецедентом текущего замедления, которое является результатом технических проблем и является «естественной частью истории закона Мура». Скорость улучшения физических размеров, известная как масштабирование Деннарда, также закончилась в середине 2000-х годов. В результате большая часть полупроводниковой промышленности сместила акцент на потребности основных вычислительных приложений, а не на масштабирование полупроводников. Тем не менее, ведущие производители полупроводников TSMC и Samsung Electronics заявили, что соблюдают закон Мура с узлами 10 нм и 7 нм при массовом производстве и узлами 5 нм при производстве с повышенным риском.

Второй закон Мура

Поскольку стоимость компьютерной мощности для потребителя падает, затраты производителей на выполнение закона Мура следуют противоположной тенденции: затраты на исследования и разработки, производство и испытания неуклонно возрастают с каждым новым поколением микросхем. Рост производственных затрат - важный фактор для поддержания закона Мура. Это привело к формулировке второго закона Мура , также называемого законом Рока, который гласит, что капитальные затраты на производство полупроводников также экспоненциально возрастают со временем.

Основные благоприятствующие факторы

Полулогарифмический график размеров правил проектирования флэш-памяти NAND в нанометрах в зависимости от дат введения.  Линейная регрессия вниз указывает на экспоненциальное уменьшение размеров элементов с течением времени.
Тенденция масштабирования полевых МОП-транзисторов для флэш- памяти NAND позволяет удвоить количество компонентов полевых МОП-транзисторов с плавающим затвором, изготовленных в той же области пластин, менее чем за 18 месяцев.

Многочисленные инновации ученых и инженеров поддерживали закон Мура с начала эры IC. Некоторые из ключевых инноваций перечислены ниже в качестве примеров прорывов, которые позволили создать передовые технологии изготовления интегральных схем и полупроводниковых устройств , что позволило увеличить количество транзисторов более чем на семь порядков менее чем за пять десятилетий.

В 2001 году в дорожных картах развития компьютерной индустрии было предсказано, что закон Мура будет действовать в отношении нескольких поколений полупроводниковых чипов.

Последние тенденции

анимированный график, показывающий плотность электронов и ток при изменении напряжения затвора
Моделирование электронной плотности как напряжения затвора (Vg) в полевом МОП-транзисторе с нанопроволокой . Пороговое напряжение составляет около 0,45 В. Полевые МОП-транзисторы с нанопроволочной структурой находятся ближе к концу дорожной карты ITRS для масштабирования устройств с длиной затвора менее 10 нм.

Одна из ключевых задач при разработке будущих наноразмерных транзисторов - это конструкция затворов. По мере уменьшения габаритов устройства управление током в тонком канале становится все труднее. Современные наноразмерные транзисторы обычно имеют форму многозатворных полевых МОП-транзисторов , причем FinFET является наиболее распространенным наноразмерным транзистором. FinFET имеет диэлектрик затвора с трех сторон канала. Для сравнения, затвор все вокруг МОП - транзистор ( GAAFET ) структура имеет еще больший контроль ворота.

  • Ворот все вокруг полевого МОП - транзистора (GAAFET) была впервые продемонстрирована в 1988 году, по Toshiba исследовательской командой во главе с Фьюджио Масуока , который продемонстрировал вертикальную нанопроволоки GAAFET , который он назвал «окружающих ворот транзистор» (СГТ). Масуока, наиболее известный как изобретатель флеш-памяти , позже покинул Toshiba и в 2004 году основал Unisantis Electronics для исследования технологии окружающих ворот вместе с Университетом Тохоку .
  • В 2006 году группа корейских исследователей из Корейского передового института науки и технологий (KAIST) и Национального центра Nano Fab Center разработала 3-нм транзистор, самое маленькое в то время наноэлектронное устройство, основанное на технологии FinFET.
  • В 2010 году исследователи из Национального института Тиндаля в Корке, Ирландия, объявили о создании беспереходного транзистора. Управляющий затвор, обернутый вокруг кремниевой нанопроволоки, может управлять прохождением электронов без использования переходов или легирования. Они утверждают, что их можно производить в масштабе 10 нанометров с использованием существующих технологий производства.
  • В 2011 году исследователи из Питтсбургского университета объявили о разработке одноэлектронного транзистора диаметром 1,5 нанометра, изготовленного из материалов на основе оксидов. Три «провода» сходятся на центральном «острове», на котором может находиться один или два электрона. Электроны туннелируют от одного провода к другому через остров. Условия на третьем проводе приводят к отличным проводящим свойствам, включая способность транзистора действовать как твердотельная память. Транзисторы на основе нанопроволоки могут стимулировать создание микроскопических компьютеров.
  • В 2012 году исследовательская группа из Университета Нового Южного Уэльса объявила о разработке первого рабочего транзистора, состоящего из одного атома, помещенного точно в кремниевый кристалл (а не просто взятого из большой выборки случайных транзисторов). Закон Мура предсказывал, что этот рубеж будет достигнут для ИС в лаборатории к 2020 году.
  • В 2015 году IBM продемонстрировала 7-нм узловые микросхемы с кремний-германиевыми транзисторами, изготовленные с использованием EUVL . Компания считает, что эта плотность транзисторов будет в четыре раза больше, чем у нынешних 14-нм чипов.
  • Samsung и TSMC планируют производить 3-  нм узлы GAAFET к 2021–2022 гг. Обратите внимание, что имена узлов, такие как 3  нм, не имеют никакого отношения к физическому размеру элементов устройства (транзисторов).
  • Исследовательская группа Toshiba, в которую входили Т. Имото, М. Мацуи и К. Такубо, в 2001 году разработала процесс соединения пластин «Модуль системного блока» для производства корпусов трехмерных интегральных схем (3D IC). В апреле 2007 года Toshiba представила восьмицилиндровый Layer 3D IC, микросхема встроенной флэш- памяти NAND THGAM объемом 16 ГБ, которая была изготовлена ​​с восемью сложенными друг на друга микросхемами флэш-памяти NAND по 2 ГБ. В сентябре 2007 года Hynix представила 24-слойную 3D IC, микросхему флэш-памяти объемом 16 ГБ, которая была изготовлена ​​из 24 уложенных друг на друга микросхем флэш-памяти NAND с использованием процесса соединения пластин.    
  • V-NAND , также известная как 3D NAND, позволяет размещать ячейки флэш-памяти вертикально с использованием технологии флэш-памяти с ловушкой заряда, первоначально представленной Джоном Сзедоном в 1967 году, что значительно увеличивает количество транзисторов в микросхеме флэш-памяти. Впервые 3D NAND была анонсирована Toshiba в 2007 году. V-NAND была впервые коммерчески произведена Samsung Electronics в 2013 году.
  • В 2008 году исследователи из HP Labs объявили о рабочем мемристоре , четвертом базовом пассивном элементе схемы, существование которого ранее только предполагалось. Уникальные свойства мемристора позволяют создавать электронные устройства меньшего размера и с лучшими характеристиками.
  • В 2014 году биоинженеры из Стэнфордского университета разработали схему, смоделированную на основе человеческого мозга. Шестнадцать чипов Neurocore имитируют один миллион нейронов и миллиарды синаптических соединений, которые, как утверждается, в 9000 раз быстрее и энергоэффективнее, чем обычный ПК.
  • В 2015 году Intel и Micron анонсировали 3D XPoint , энергонезависимую память, которая, как утверждается, значительно быстрее с аналогичной плотностью по сравнению с NAND. Производство, запланированное на 2016 год, было отложено до второй половины 2017 года.
  • В 2017 году Samsung объединила свою технологию V-NAND со стекингом eUFS 3D IC для производства  микросхемы флэш-памяти объемом 512 ГБ с восемью сложенными 64- слойными кристаллами V-NAND. В 2019 году, компания Samsung выпустила 1 ТБ флэш - чип с восьмью сложенных V-NAND штампов 96-слоя, наряду с четырехъядерным уровнем клеточной технологией (QLC) ( 4-битовой на транзистор), что эквивалентно 2 триллионов транзисторов, само высокое количество транзисторов из любая микросхема.  
  • В 2020 году Samsung Electronics планирует произвести 5-нм узел с использованием технологий FinFET и EUV .
  • В мае 2021 года IBM объявляет о создании первого компьютерного чипа 2 нм , части которого предположительно будут меньше человеческой ДНК.

Архитекторы микропроцессоров сообщают, что развитие полупроводников во всей отрасли замедлилось примерно с 2010 года, что ниже темпов, предсказываемых законом Мура. Брайан Кржанич, бывший генеральный директор Intel, объявил: «Сегодняшняя частота кадров ближе к двум с половиной годам, чем к двум». В 2015 году Intel заявила, что улучшения в устройствах MOSFET замедлились, начиная с ширины 22 нм примерно в 2012 году и продолжая на 14 нм .

Физические пределы масштабирования транзисторов были достигнуты из-за утечки истока в сток, ограниченного количества металлов затвора и ограниченных вариантов материала канала. Изучаются другие подходы, не основанные на физическом масштабировании. К ним относятся спиновое состояние электронной спинтроники , туннельные переходы и расширенное ограничение материалов каналов с помощью геометрии нанопроволоки. В лабораториях активно разрабатываются функции спиновой логики и памяти.

Альтернативные материалы исследования

Подавляющее большинство токовых транзисторов на ИС состоит в основном из легированного кремния и его сплавов. Поскольку из кремния изготавливают транзисторы с одним нанометром, эффекты короткого канала неблагоприятно изменяют желаемые свойства материала кремния как функционального транзистора. Ниже приведены несколько заменителей кремния при изготовлении малых нанометровых транзисторов.

Одним из предлагаемых материалов является арсенид индия-галлия или InGaAs. По сравнению со своими кремниевыми и германиевыми аналогами транзисторы InGaAs более перспективны для будущих высокоскоростных логических приложений с низким энергопотреблением. Из-за внутренних характеристик составных полупроводников III-V , транзисторы с квантовыми ямами и туннельными эффектами на основе InGaAs были предложены в качестве альтернативы более традиционным конструкциям MOSFET.

  • В начале 2000-х годов послойного атомного осаждения высокого κ пленки и тангажа двойной кучность процессы были изобретены Гертеж Сингх Санду в Micron Technology , расширяя закон Мура для технологии планарных CMOS до 30 нм класса и меньше.
  • В 2009 году Intel объявила о разработке 80-нанометровых транзисторов InGaAs с квантовыми ямами . Устройства с квантовыми ямами содержат материал, зажатый между двумя слоями материала с более широкой запрещенной зоной. Несмотря на то, что в то время они были вдвое больше ведущих чистых кремниевых транзисторов, компания сообщила, что они работают одинаково хорошо, потребляя меньше энергии.
  • В 2011 году исследователи Intel продемонстрировали трехмерные трехзатворные InGaAs-транзисторы с улучшенными характеристиками утечки по сравнению с традиционными планарными конструкциями. Компания утверждает, что их конструкция обеспечивает лучшую электростатику среди всех составных полупроводниковых транзисторов III-V. На Международной конференции по твердотельным схемам 2015 года Intel упомянула об использовании соединений III-V на основе такой архитектуры для своего 7-нанометрового узла.
  • В 2011 году исследователи из Техасского университета в Остине разработали InGaAs-туннельные полевые транзисторы, способные создавать более высокие рабочие токи, чем предыдущие разработки. Первые конструкции III-V TFET были продемонстрированы в 2009 году совместной командой из Корнельского университета и Университета штата Пенсильвания .
  • В 2012 году команда из лаборатории Microsystems Technology при Массачусетском технологическом институте разработала 22-нм транзистор на основе InGaAs, который в то время был самым маленьким несиликоновым транзистором из когда-либо созданных. Команда использовала методы, используемые в настоящее время при изготовлении кремниевых устройств, и нацелена на улучшение электрических характеристик и сокращение до 10-нанометрового масштаба.

Исследования в области биологических вычислений показывают, что биологический материал обладает более высокой плотностью информации и энергоэффективностью по сравнению с вычислениями на основе кремния.

см. подпись
Изображение графена в его гексагональной решетке, полученное с помощью сканирующей зондовой микроскопии

Различные формы графена изучаются для графена электроники , например , графеновые наноленты транзисторов показали большие перспективы с момента своего появления в публикациях в 2008 году (Bulk графена имеет ширину запрещенной зоны от нуля и , следовательно , не может быть использовано в транзисторах из - за его постоянной проводимости, невозможность выключения. Зигзагообразные края нанолент вводят локализованные энергетические состояния в зоне проводимости и валентной зоне и, таким образом, создают запрещенную зону, которая позволяет переключаться при изготовлении в виде транзистора. Например, типичный GNR шириной 10 нм имеет желаемую ширину запрещенной зоны. Энергия 0,4 эВ.) Однако необходимо провести дополнительные исследования для слоев графена толщиной менее 50 нм, поскольку значение его удельного сопротивления увеличивается и, таким образом, уменьшается подвижность электронов.

Прогнозы и дорожные карты

В апреле 2005 года Гордон Мур заявил в интервью, что прогноз не может продолжаться бесконечно: «Он не может продолжаться вечно. Природа экспонент такова, что вы их выталкиваете, и в конечном итоге происходит катастрофа». Он также отметил, что транзисторы в конечном итоге достигнут пределов миниатюризации на атомных уровнях:

Что касается размера [транзисторов], вы можете видеть, что мы приближаемся к размеру атомов, что является фундаментальным барьером, но пройдут два или три поколения, прежде чем мы дойдем до этого - но это все, что мы делаем. когда-либо видел. У нас есть еще 10–20 лет, прежде чем мы достигнем фундаментального предела. К тому времени они смогут производить более крупные микросхемы и иметь миллиарды транзисторов.

В 2016 году Международная технологическая дорожная карта для полупроводников , после использования закона Мура для управления отраслью с 1998 года, представила свою окончательную дорожную карту. Он больше не основывал свой план исследований и разработок на законе Мура. Вместо этого он обрисовал в общих чертах то, что можно было бы назвать стратегией «Больше, чем Мур», в которой потребности приложений стимулируют разработку микросхем, а не акцентируют внимание на масштабировании полупроводников. Драйверы приложений варьируются от смартфонов до ИИ и центров обработки данных.

В 2016 году IEEE начал реализацию дорожной карты «Перезагрузка вычислений», получившую название « Международная дорожная карта для устройств и систем» (IRDS).

Большинство прогнозистов, включая Гордона Мура, ожидают, что действие закона Мура прекратится примерно к 2025 году. Хотя закон Мура достигнет физических ограничений, многие прогнозисты с оптимизмом смотрят на продолжение технического прогресса во множестве других областей, включая новые архитектуры микросхем, квантовые вычисления и т. Д. а также искусственный интеллект и машинное обучение.

Последствия

Цифровая электроника внесла свой вклад в мировой экономический рост в конце двадцатого и начале двадцать первого веков. Основной движущей силой экономического роста является рост производительности , и закон Мура влияет на производительность. Мур (1995) ожидал, что «темпы технического прогресса будут контролироваться финансовыми реалиями». Однако в конце 1990-х годов могло произойти и произошло обратное, когда экономисты сообщали, что «рост производительности является ключевым экономическим индикатором инноваций». Закон Мура описывает движущую силу технологических и социальных изменений, производительности и экономического роста.

Ускорение темпов развития полупроводников способствовало резкому росту производительности труда в США, который достиг 3,4% в год в 1997–2004 годах, опередив 1,6% в год как в 1972–1996, так и в 2005–2013 годах. Как отмечает экономист Ричард Г. Андерсон: «Многочисленные исследования проследили причину роста производительности до технологических инноваций в производстве полупроводников, которые резко снизили цены на такие компоненты и продукты, которые их содержат (а также расширили возможности такие продукты) ".

Основное отрицательное следствие закона Мура состоит в том, что моральное старение подталкивает общество к пределам роста . Поскольку технологии продолжают быстро «улучшаться», они делают предшествующие технологии устаревшими. В ситуациях, когда безопасность и живучесть оборудования или данных имеют первостепенное значение или когда ресурсы ограничены, быстрое устаревание часто создает препятствия для бесперебойной или непрерывной работы.

Из-за значительных затрат ресурсов и токсичных материалов, используемых при производстве компьютеров, моральный износ приводит к серьезным вредным воздействиям на окружающую среду . Американцы выбрасывают 400000 сотовых телефонов каждый день, но такой высокий уровень морального износа кажется компаниям возможностью для регулярных продаж дорогостоящего нового оборудования вместо того, чтобы хранить одно устройство в течение более длительного периода времени, что приводит к тому, что промышленность использует запланированное устаревание в качестве меры предосторожности. центр прибыли .

Логарифмический график сравнения длины ворот с размером узла
Тенденция длины затвора транзисторов Intel - масштабирование транзисторов значительно замедлилось на продвинутых (меньших) узлах

Альтернативным источником повышения производительности являются методы микроархитектуры , использующие увеличение количества доступных транзисторов. Выполнение вне очереди, а также кэширование и предварительная выборка на кристалле сокращают узкое место задержки памяти за счет использования большего количества транзисторов и увеличения сложности процессора. Это увеличение эмпирически описывается правилом Поллака , которое гласит, что повышение производительности за счет методов микроархитектуры приблизительно равно квадратному корню из сложности (количества транзисторов или площади) процессора.

В течение многих лет производители процессоров увеличивали тактовую частоту и параллелизм на уровне команд , так что однопоточный код выполнялся быстрее на новых процессорах без каких-либо модификаций. Теперь, чтобы управлять рассеянием мощности ЦП , производители процессоров отдают предпочтение многоядерной конструкции микросхем, а программное обеспечение должно быть написано многопоточным способом, чтобы в полной мере использовать преимущества оборудования. Многие парадигмы многопоточной разработки приводят к накладным расходам и не видят линейного увеличения скорости в зависимости от количества процессоров. Это особенно верно при доступе к разделяемым или зависимым ресурсам из-за конфликта блокировок . Этот эффект становится более заметным по мере увеличения количества процессоров. Бывают случаи, когда увеличение числа транзисторов процессора примерно на 45% приводит к увеличению вычислительной мощности примерно на 10–20%.

С другой стороны, производители добавляют специализированные процессоры для работы с такими функциями, как графика, видео и криптография. Например, расширение Intel Parallel JavaScript не только добавляет поддержку нескольких ядер, но также и других необщих функций обработки своих чипов в рамках миграции клиентских сценариев в сторону HTML5 .

Закон Мура существенно повлиял на производительность других технологий: Майкл С. Мэлоун написал о войне Мура после очевидного успеха шока и трепета в первые дни войны в Ираке . Прогресс в развитии управляемого вооружения зависит от электронной техники. Улучшения плотности схем и работы с низким энергопотреблением, связанные с законом Мура, также внесли свой вклад в развитие технологий, включая мобильные телефоны и трехмерную печать .

Другие формулировки и аналогичные наблюдения

Некоторые показатели цифровых технологий улучшаются с экспоненциальной скоростью, связанной с законом Мура, включая размер, стоимость, плотность и скорость компонентов. Мур писал только о плотности компонентов, «компонент представляет собой транзистор, резистор, диод или конденсатор» при минимальных затратах.

Транзисторов на интегральную схему . Наиболее популярная формулировка заключается в удвоении количества транзисторов на ИС каждые два года. В конце 1970-х закон Мура стал известен как ограничение количества транзисторов в самых сложных микросхемах. График вверху показывает, что эта тенденция сохраняется и сегодня. По состоянию на 2017 год коммерчески доступный процессор с наибольшим количеством транзисторов - это 48-ядерный Centriq с более чем 18 миллиардами транзисторов.

Плотность при минимальной стоимости транзистора - это формулировка, данная в статье Мура 1965 года. Речь идет не только о плотности транзисторов, которая может быть достигнута, но и о плотности транзисторов, при которой стоимость транзистора является самой низкой. Чем больше транзисторов помещается в микросхему, тем меньше стоимость изготовления каждого транзистора, но увеличивается вероятность того, что микросхема не будет работать из-за дефекта. В 1965 году Мур исследовал плотность транзисторов, при которой стоимость минимизирована, и заметил, что по мере уменьшения размеров транзисторов благодаря достижениям в фотолитографии это число будет увеличиваться «примерно в два раза в год».

Масштабирование Деннарда - это означает, что потребление энергии будет уменьшаться пропорционально площади (как напряжение, так и ток пропорциональны длине) транзисторов. В сочетании с законом Мура производительность на ватт будет расти примерно с той же скоростью, что и плотность транзисторов, удваиваясь каждые 1-2 года. Согласно Деннарду, размеры транзисторов будут увеличиваться на 30% (0,7x) с каждым поколением технологий, таким образом уменьшая их площадь на 50%. Это уменьшит задержку на 30% (0,7x) и, следовательно, повысит рабочую частоту примерно на 40% (1,4x). Наконец, чтобы сохранить постоянное электрическое поле, необходимо снизить напряжение на 30%, уменьшив энергию на 65% и мощность (при частоте в 1,4 раза) на 50%. Следовательно, в каждом поколении технологий плотность транзисторов будет удваиваться, схема становится на 40% быстрее, а энергопотребление (с удвоенным количеством транзисторов) остается неизменным. Масштабирование Деннарда прекратилось в 2005–2010 годах из-за токов утечки.

Экспоненциальный рост транзисторов процессора, предсказанный Муром, не всегда приводит к экспоненциальному увеличению практической производительности процессора. Примерно с 2005–2007 гг. Масштабирование Деннарда прекратилось, поэтому, хотя закон Мура действовал в течение нескольких лет после этого, он не принес дивидендов в виде повышения производительности. Основная причина поломки заключается в том, что при небольших размерах утечка тока создает более серьезные проблемы, а также вызывает нагрев микросхемы, что создает угрозу теплового разгона и, следовательно, еще больше увеличивает затраты на электроэнергию.

Нарушение масштабирования Деннарда побудило к большему вниманию к многоядерным процессорам, но выигрыш от переключения на большее количество ядер ниже, чем выигрыш, который был бы достигнут при продолжении масштабирования Деннарда. Еще один отход от масштабирования Деннарда: в 2012 году микропроцессоры Intel использовали неплоский трехзатворный FinFET на 22 нм, который быстрее и потребляет меньше энергии, чем обычный планарный транзистор. Скорость повышения производительности одноядерных микропроцессоров значительно снизилась. Одноядерная производительность улучшалась на 52% в год в 1986–2003 годах и на 23% в год в 2003–2011 годах, но замедлилась до семи процентов в год в 2011–2018 годах.

Цена на ИТ-оборудование с поправкой на качество - Цена на информационные технологии (ИТ), компьютеры и периферийное оборудование с поправкой на качество и инфляцию снижалась в среднем на 16% в год в течение пяти десятилетий с 1959 по 2009 год. Темпы роста, однако, ускорились до 23% в год в 1995–1999 гг. Были вызваны более быстрыми темпами инноваций в сфере ИТ, а позже снизились до 2% в год в 2010–2013 гг.

Хотя повышение цен на микропроцессоры с поправкой на качество продолжается, скорость улучшения также варьируется и не является линейной по логарифмической шкале. В конце 1990-х годов рост цен на микропроцессоры ускорился, достигнув 60% в год (снижение вдвое каждые девять месяцев) по сравнению с обычными 30% -ными темпами улучшения (снижение вдвое каждые два года) в предыдущие и последующие годы. В частности, микропроцессоры портативных компьютеров улучшались на 25–35% в год в 2004–2010 годах и замедлялись до 15–25% в год в 2010–2013 годах.

Количество транзисторов на микросхему не может полностью объяснить цены на микропроцессоры с поправкой на качество. В статье Мура 1995 года закон Мура не ограничивается строгой линейностью или количеством транзисторов: «Определение« закона Мура »стало относиться практически ко всему, что связано с полупроводниковой промышленностью, которое на полулогарифмическом графике приближается к прямой линии. Я сомневаюсь. пересмотреть его происхождение и тем самым ограничить его определение ".

Плотность жесткого диска - аналогичный прогноз (иногда называемый законом Крайдера ) был сделан в 2005 году для плотности жесткого диска . Позже это предсказание сочли излишне оптимистичным. Несколько десятилетий быстрого прогресса в области плотности записи замедлились примерно в 2010 году с 30–100% в год до 10–15% в год из-за шума, связанного с меньшим размером зерна дискового носителя, термостабильностью и возможностью записи с использованием доступных магнитных полей.

Пропускная способность оптоволокна - количество битов в секунду, которое может быть отправлено по оптическому волокну, увеличивается экспоненциально, быстрее, чем закон Мура. Закон Кека в честь Дональда Кека .

Пропускная способность сети. По словам Джерри / Джеральда Баттерса, бывшего главы группы оптических сетей Lucent в Bell Labs, существует еще одна версия, называемая законом фотоники Баттерса, формулировка, которая намеренно соответствует закону Мура. Закон Баттерса гласит, что объем данных, поступающих по оптоволокну, удваивается каждые девять месяцев. Таким образом, стоимость передачи бита по оптической сети уменьшается вдвое каждые девять месяцев. Доступность мультиплексирования с разделением по длине волны (иногда называемого WDM) увеличила емкость, которую можно разместить на одном волокне, в 100 раз. Оптические сети и плотное мультиплексирование с разделением по длине волны (DWDM) быстро снижают стоимость сети, и дальнейший прогресс кажется гарантированным. В результате оптовая цена трафика данных рухнула в пузыре доткомов . Закон Нильсена гласит, что пропускная способность, доступная пользователям, увеличивается на 50% ежегодно.

Пикселей на доллар. Точно так же Барри Хенди из Kodak Australia нанес количество пикселей на доллар в качестве основного показателя ценности цифровой камеры, демонстрируя историческую линейность (в логарифмической шкале) этого рынка и возможность предсказать будущую тенденцию развития цифровых технологий. цена камеры, LCD и LED экраны, разрешение.

Великий компенсатор закона Мура (TGMLC) , также известный как закон Вирта, обычно называют раздуванием программного обеспечения и является принципом, согласно которому последующие поколения компьютерного программного обеспечения увеличиваются в размере и сложности, тем самым компенсируя прирост производительности, предсказанный законом Мура. В статье 2008 года в InfoWorld Рэндалл К. Кеннеди, ранее работавший в Intel, вводит этот термин, используя в качестве предпосылки последовательные версии Microsoft Office между 2000 и 2007 годами. Несмотря на прирост вычислительной производительности за этот период времени согласно закону Мура, Office 2007 выполнял ту же задачу на половине скорости на прототипе компьютера 2007 года по сравнению с Office 2000 на компьютере 2000 года.

Расширение библиотеки - в 1945 году Фремонт Райдер рассчитал, что ее вместимость будет удваиваться каждые 16 лет, если будет доступно достаточно места. Он выступал за замену громоздких, ветхих печатных работ миниатюрными аналоговыми фотографиями на микроформах , которые можно было бы дублировать по запросу для посетителей библиотеки или других учреждений. Он не предвидел, что цифровая технология, которая последует десятилетия спустя, заменит аналоговую микроформу на цифровые средства отображения, хранения и передачи изображений. Автоматизированные, потенциально без потерь цифровые технологии позволили значительно ускорить рост информации в эпоху, которую сейчас иногда называют информационной эпохой .

Кривая Карлсона - это термин, введенный The Economist для описания биотехнологического эквивалента закона Мура, и назван в честь автора Роба Карлсона. Карлсон точно предсказал, что время удвоения технологий секвенирования ДНК (измеряемое стоимостью и производительностью) будет по крайней мере таким же быстрым, как закон Мура. Кривые Карлсона иллюстрируют быстрое (в некоторых случаях гиперэкспоненциальное) снижение стоимости и повышение производительности различных технологий, включая секвенирование ДНК, синтез ДНК и ряд физических и вычислительных инструментов, используемых для экспрессии белков и определения структур белков. .

Закон Эрума - это наблюдение при разработке фармацевтических препаратов, которое было намеренно написано как закон Мура, перевернутый в обратном порядке, чтобы противопоставить его экспоненциальному прогрессу других форм технологий (например, транзисторов) с течением времени. В нем говорится, что стоимость разработки нового лекарства примерно удваивается каждые девять лет.

Эффект кривой опыта говорит о том, что каждое удвоение совокупного производства практически любого продукта или услуги сопровождается приблизительно постоянным процентным снижением удельной стоимости. Признанное первое документальное качественное описание этого явления датируется 1885 годом. Кривая мощности использовалась для описания этого явления в 1936 году при обсуждении стоимости самолетов.

Закон Edholm в - Фил Edholm отметилчто пропускная способность в телекоммуникационных сетях (том числе Интернет ) удваивается каждые 18 месяцев. Пропускная способность сетевых коммуникационных сетей выросла с бит в секунду до терабит в секунду . Быстрый рост сетевой полосы пропускания во многом связан с тем же масштабированием MOSFET, которое позволяет применять закон Мура, поскольку телекоммуникационные сети строятся из MOSFET.

Закон Хейтца предсказывает, что яркость светодиодов увеличивается по мере снижения стоимости их производства.

Закон Суонсона - это наблюдение, что цена солнечных фотоэлектрических модулей имеет тенденцию падать на 20 процентов при каждом удвоении совокупного объема отгруженных товаров. При нынешних темпах примерно каждые 10 лет затраты снижаются на 75%.

Смотрите также

Примечания

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Брок, Дэвид С. (редактор) (2006). Понимание закона Мура: четыре десятилетия инноваций . Филадельфия: Фонд химического наследия. ISBN  0-941901-41-6 . OCLC  66463488 .
  • Моди, Сайрус (2016). Длинная рука закона Мура: микроэлектроника и американская наука . Кембридж, Массачусетс: MIT Press. ISBN 978-0262035491.
  • Текрей, Арнольд; Дэвид С. Брок и Рэйчел Джонс (2015). Закон Мура: Жизнь Гордона Мура, Тихого революционера Кремниевой долины . Нью-Йорк: Основные книги.
  • Туоми, Илкка (2002). Жизнь и смерть закона Мура . Первый понедельник, 7 (11) ноября 2002 г. https://doi.org/10.5210/fm.v7i11.1000

внешние ссылки