Jakie jest prawo Moore'a i do czego służy?

Prawo Moore'a odnosi się do obserwacji dokonanej przez współzałożyciela Intela Gordona Moore'a w 1965 r., W której odkrył, że liczba tranzystorów na cal kwadratowy w układach scalonych podwaja się rok po roku od czasu jego powstania.

Prawo Moore'a przewiduje, że trend ten pozostanie nienaruszony przez wiele lat. Mimo że szybkość spadła, liczba tranzystorów na cal kwadratowy podwajała się mniej więcej co półtora roku. Jest to używane jako aktualna definicja prawa Moore'a.

Indeks treści

Uproszczona wersja tego prawa stwierdza, że ​​szybkość procesora lub ogólna moc obliczeniowa komputerów będą się podwajały co dwa lata. Szybka kontrola między technikami z różnych firm komputerowych pokazuje, że termin ten nie jest zbyt popularny, ale reguła jest nadal akceptowana.

Gdybyśmy zbadali prędkości procesorów od 1970 do 2018 roku, a następnie ponownie w 2019 roku, moglibyśmy pomyśleć, że prawo osiągnęło limit lub zbliża się. W latach 70. prędkości procesorów wahały się od 740 KHz do 8 MHz, jednak prawo jest w rzeczywistości dokładniejsze w przypadku tranzystorów niż prędkości.

Ilość mocy obliczeniowej, którą możemy teraz wykorzystać na najmniejszych urządzeniach, jest nieco niezwykła w porównaniu z tym, co można osiągnąć, powiedzmy, dekadę temu.

Patrząc wstecz, nawet pięć lat temu, najlepszy w tamtym czasie komputer byłby uważany za przestarzały w porównaniu z obecnym komputerem.

Jest to możliwe po prostu dlatego, że producenci chipów są w stanie znacznie zwiększyć liczbę tranzystorów na chipie każdego roku, wraz z postępem badań nad chipem.

Rozszerzeniem prawa Moore'a jest to, że komputery, komponenty zasilane komputerowo i moc obliczeniowa z czasem stają się mniejsze i szybsze, ponieważ tranzystory w układach scalonych stają się bardziej wydajne.

Tranzystory to proste elektroniczne przełączniki on-off zintegrowane z mikroukładami, procesorami i małymi obwodami elektrycznymi. Im szybciej przetwarzają sygnały elektryczne, tym bardziej wydajny staje się komputer.

Z czasem koszty tych komputerów o większej mocy również spadały, zwykle o około 30 procent rocznie. Gdy projektanci sprzętu podnieśli wydajność komputerów z lepszymi układami scalonymi, producenci byli w stanie stworzyć lepsze maszyny, które mogłyby zautomatyzować niektóre procesy. Ta automatyzacja stworzyła tańsze produkty dla konsumentów, ponieważ sprzęt spowodował niższe koszty pracy.

Prawo Moore'a w dzisiejszym społeczeństwie

Pięćdziesiąt lat po prawie Moore'a współczesne społeczeństwo dostrzega dziesiątki korzyści, które ujawnia to prawo. Urządzenia mobilne, takie jak smartfony i komputery stacjonarne, nie działałyby bez bardzo małych procesorów. Mniejsze, szybsze komputery usprawniają transport, opiekę zdrowotną, edukację i produkcję energii. Prawie każdy aspekt społeczeństwa high-tech korzysta z wprowadzonej w życie koncepcji prawa Moore'a.

Obecnie wszystkie procesory konsumenckie są wykonane z krzemu, drugiego po tlenach drugiego pod względem liczebności elementu skorupy ziemskiej. Ale krzem nie jest idealnym przewodnikiem, a ograniczenia ruchliwości elektronów, które niesie, stanowią twardy limit grubości pakowanych tranzystorów krzemowych.

Ale zużycie energii jest nie tylko ogromnym problemem, ale także efekt zwany tunelem kwantowym może powodować problemy z utrzymywaniem elektronów zawartych powyżej pewnego progu grubości.

Tranzystory krzemowe osiągają obecnie 14 nanometrów i chociaż wkrótce na rynek trafią niektóre konstrukcje układów 10-nanometrowych, stwierdzono, że aby zachować zgodność z prawem Moore'a przez długi czas, firmy będą musiały twórz nowsze i lepsze materiały, które będą podstawą komputerów nowej generacji.

Prawo Moore'a w przyszłości

Dzięki nanotechnologii niektóre tranzystory są mniejsze niż wirus. Te mikroskopijne struktury zawierają idealnie dopasowane cząsteczki krzemu i węgla, które pomagają szybciej przesyłać prąd wzdłuż obwodu.

W końcu temperatura tranzystorów uniemożliwia tworzenie mniejszych obwodów, ponieważ chłodzenie tranzystorów wymaga więcej energii niż to, co przechodzi przez tranzystory. Eksperci pokazują, że komputery powinny w najbliższych latach osiągnąć fizyczne granice prawa Moore'a. Kiedy tak się stanie, informatycy będą musieli zbadać zupełnie nowe sposoby tworzenia komputerów.

Aplikacje i oprogramowanie mogą poprawić szybkość i wydajność komputerów w przyszłości, a nie procesy fizyczne. Technologia chmurowa, komunikacja bezprzewodowa, Internet przedmiotów i fizyka kwantowa mogą również odgrywać ważną rolę w innowacjach technologii informatycznych.

Postęp w kierunku podwojenia liczby obwodów zwolnił, a układy scalone nie mogą być znacznie mniejsze, ponieważ tranzystory zbliżają się do wielkości atomu.

W pewnym momencie w przyszłości postępy w oprogramowaniu lub sprzęcie mogą utrzymać marzenie o prawie Moore'a. Wydaje się jednak, że branża komputerowa jest gotowa na inny kurs, który za kilka lat będzie się rozwijał.

Postęp prawa Moore'a

Chociaż prawo Moore'a powtarzało to co dwa lata, ten szybki wzrost produkcji technologicznej skrócił ten czas zarówno w świadomości techników, jak i użytkowników.

Ograniczeniem, które istnieje, jest to, że gdy tranzystory mogą być tak małe jak cząstki atomowe, nie będzie już miejsca na wzrost na rynku procesorów, jeśli chodzi o prędkości.

Moore zauważył, że łączna liczba komponentów w tych obwodach ulegała podwojeniu każdego roku, więc ekstrapolował to roczne powielanie na następną dekadę, szacując, że mikroukłady z 1975 r. Zawierałyby oszałamiająco 65 000 komponentów na chip.

W 1975 roku, gdy tempo wzrostu zaczęło zwalniać, Moore zrewidował swój dwuletni okres. Jego zmienione prawo było trochę pesymistyczne; Około 50 lat po 1961 r. Liczba tranzystorów podwoiła się co około 18 miesięcy. Następnie czasopisma regularnie odwoływały się do prawa Moore'a, jakby to było prawo technologiczne z bezpieczeństwem praw ruchu Newtona.

Tym, co umożliwiło tak dramatyczną eksplozję złożoności obwodu, był kurczący się rozmiar tranzystorów na przestrzeni dziesięcioleci.

Charakterystykę tranzystora, która mierzy mniej niż mikron, uzyskano w latach 80. XX wieku, kiedy układy dynamicznej pamięci o swobodnym dostępie (DRAM) zaczęły oferować możliwości przechowywania w megabajtach.

Na początku XXI wieku cechy te zbliżyły się do 0, 1 mikrona, umożliwiając produkcję gigabajtowych układów pamięci i mikroprocesorów działających na częstotliwościach gigahercowych. Prawo Moore'a było kontynuowane w drugiej dekadzie XXI wieku wraz z wprowadzeniem trójwymiarowych tranzystorów dziesięciometrowych.

Niedaleko końca prawa Moore'a

Ponieważ prawo Moore'a sugeruje wykładniczy wzrost, jest mało prawdopodobne, aby trwało w nieskończoność. Większość ekspertów oczekuje, że prawo Moore'a będzie obowiązywać przez kolejne dwie dekady. Niektóre badania wykazały, że ograniczenia fizyczne można osiągnąć w 2018 r.

Zgodnie z ostatnim raportem z International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), który obejmuje gigantów chipowych, takich jak Intel i sam Samsung, tranzystory mogą osiągnąć punkt, w którym nie można ich dalej zmniejszyć do 2021 r. Firmy twierdzą, że w celu wtedy nie będzie już ekonomicznie wykonalne, aby je zmniejszyć, ostatecznie kończąc Prawo Moore'a.

Oznacza to, że chociaż fizycznie mogłyby się zmniejszyć, teoretycznie osiągnęłyby to, co ITRS nazywa swoim „minimum ekonomicznym”, co oznacza, że ​​spowodowałoby to tylko, że koszty byłyby zbyt wysokie.

Teoria Moore'a nie jest kwestionowana po raz pierwszy. W zeszłym roku Brian Krzanich, dyrektor naczelny Intela, ogłosił, że zmiana rozmiaru jednego tranzystora na drugi zajmuje dwa, dwa i pół roku. Krzanich zakwestionował to podczas rozmowy zarobkowej od Intela, twierdząc, że procesy produkcyjne nie postępowały w takim samym tempie jak w przeszłości.

Jednak ITRS uważa, że ​​nie oznacza to końca koncepcji stojącej za ustawą, ponieważ producenci znajdują coraz bardziej innowacyjne sposoby wprowadzania większej liczby przełączników w danej przestrzeni. Weźmy na przykład technologię 3D NAND firmy Intel, która polega na układaniu na sobie 32 warstw pamięci, aby uzyskać ogromne pojemności.

Ostatnie słowa i wnioski

Do tej pory prawo Moore'a wielokrotnie okazywało się poprawne, w wyniku czego od dawna mówi się, że jest odpowiedzialny za większość postępów w erze cyfrowej, od komputerów osobistych po superkomputery, ze względu na swoje Użyj w branży półprzewodników, aby pokierować planowaniem długoterminowym i wyznaczyć cele badań i rozwoju.

Prawo Moore'a jest prawem ekonomicznym, a nie fizycznym. Oznacza to, że każdy nowy układ będzie miał dwa razy więcej tranzystorów, a zatem obliczy pojemność poprzedniej generacji dla tych samych kosztów produkcji.

Ta prosta reguła napędza wszelkie postępy w rewolucji technologicznej od ponad pół wieku i nadal określa coraz szersze granice dzisiejszej technologii, pozwalając nam przyjmować pojęcia takie jak sztuczna inteligencja i pojazdy autonomiczne i je realizować.

Prawo to zyskało rozgłos, ponieważ ludzie lubią prawa, które pozwalają im przewidywać przyszłość jednego z największych przemysłów na świecie, ale fizyczne podstawy tej zasady oznaczają, że jest ona nieco inna i mniej niezawodna niż wiele osób uwierz.

Fizyczne ograniczenia w tworzeniu tych układów mogą z łatwością przesunąć tę liczbę z powrotem do pięciu lub więcej lat, skutecznie unieważniając Prawo Moore'a na zawsze.

Obrazy źródłowe Wikimedia Commons