Moore'i seadus — transistorite kahekordumise määratlus ja mõju

Moore'i seadus ütleb, et transistoride arv integraallülitustel kahekordistub umbes iga kahe aasta tagant. Inteli juht David House ütles, et see periood on "18 kuud". Ta ennustas seda perioodi kiipide jõudluse kahekordistumiseks: see on kombinatsioon suurema arvu transistoride ja nende kiirema tööjõu efektist.

Seadus on nime saanud Inteli kaasasutaja Gordon Moore'i järgi, kes kirjeldas seda suundumust oma 1965. aasta artiklis. Dokumendis märgiti, et integraallülituste komponentide arv on alates integraallülituse leiutamisest 1958. aastal kuni 1965. aastani igal aastal kahekordistunud ja ennustati, et see suundumus jätkub "vähemalt kümme aastat". Tema ennustus on osutunud väga täpseks. Seda seadust kasutatakse pooljuhtide tööstuses pikaajalise planeerimise suunamiseks ning teadus- ja arendustegevuse eesmärkide seadmiseks.

Ajalooline taust ja erinevad tõlgendused

Algselt kirjeldas Moore lihtsalt tehnilise komponentide arvu kasvutrendi. Aja jooksul on Moore'i seadus saanud laiemaks tööstusliku lähtepunktiks, mida tõlgendatakse mitmel moel:

• transistorite arvu kahekordistumine (tavaline formaalne mõiste),
• kiibijõudluse kahekordistumine (nt David House'i 18 kuu väide, mis lisas ka sageduse ja arhitektuurilised parandused),
• kulu ühe transistori kohta mittesihilise langevusena (odavam tootmine aja jooksul).

1970. ja 1980. aastatel said transistori tihedus, sagedus ja energiatõhusus kõik kasu samast vähendussuunast, mistõttu näis Moore'i seadus kehtivat laiemalt kui algne observatsioon.

Mõju tehnoloogiale ja igapäevaelule

Paljude digitaalsete elektroonikaseadmete võimalused on tugevalt seotud Moore'i seadusega: töötluskiirus, mälumaht, andurid ja isegi pikslite arv ja suurus digikaamerates. Kõik need paranevad samuti (ligikaudu) eksponentsiaalse kiirusega. Selle tulemuseks on:

• nutitelefonide ja sülearvutite jõudluse kiire paranemine ja hindade langus;
• pilveteenuste ja suurandmete analüüsi taskukohasemaks muutumine;
• tehisintellekti ja masinõppe rakenduste laienemine tänu suurematele mudelitele ja spetsiaalsetele kiipidele (GPU-d, TPU-d jne);
• seadmete miniaturiseerimine ja uute sensorite ning kantavate seadmete levik.

Piirid, Dennardi skaleerimine ja arhitektuurilised muutused

Kuigi transistorite füüsiline mõõtmete vähendamine on võimaldanud Moore'i seaduse järgimist, ei keste see piiramatult. 2000. aastate keskel hakkas Dennardi skaleerimine (teooria, mille kohaselt pingete ja voolutiheduste kasvu tõttu saab sagedusi kasvatada ilma oluliselt suurendamata energiatarvet) lagunema. Selle tagajärjel ei kasvanud protsessorite taktsagedused enam samas tempos, ning tootjad hakkasid parandusi saavutama muude meetoditega:

• multituumalisus (multi-core) — jõudlus suureneb mitme südamiku abil;
• uued transistoripõhised lõikepunktid, nagu FinFET ja hiljem GAAFET, mis parandavad lülituse omadusi väiksematel takistusastmetel;
• kolmemõõtmeline integreerimine (3D-stacking) ja chiplet-disain, mis ühendavad väiksemaid die'e üheks suuremaks süsteemiks;
• erinevate kiipide heterogeenne integreerimine — CPUd, GPUd ja kiired kiirendid erinevate ülesannete jaoks.

Tänane olukord ja tulevik

See eksponentsiaalne areng on oluliselt suurendanud digitaalse elektroonika mõju maailmamajanduses. Moore'i seadus kirjeldab 20. sajandi lõpu ja 21. sajandi alguse tehnoloogiliste ja sotsiaalsete muutuste liikumapanevat jõudu. See suundumus on jätkunud enam kui pool sajandit. Intel teatas 2015. aastal, et arengutempo on aeglustunud. Inteli tegevjuht Brian Krzanich teatas, et "meie tempo on täna pigem kaks ja pool aastat kui kaks aastat".

Kaasnevad väljakutsed on nii füüsilised (fotoskeemide ja materjalide piirid), tootmuskulud (uusimate litograafiate arendamine on ülisuur investeering) kui ka majanduslikud: väiksemate sõlmede arendamine muutub järjest kallimaks, mis suurendab barjääre uutele firmadele. Samas on industriaalne innovatsioon viinud ka alternatiivsete lahendusteni — spetsialiseeritud kiibid, paremad tarkvaramudelid, optiline side ja uued materjalid.

Tulevikus ei pruugi Moore'i seadus kehtida senises sõnastuses, kuid sama eesmärk — odavam, kiirem ja tõhusam arvutus — jääb alles. Tööstuses liiguvad uuringud suunas, mis kombineerib järgmise põlvkonna transistoreid, 3D-integratsiooni, heterogeenseid süsteeme ja spetsialiseeritud kiipe ning samuti uusi arvutusparadigmasid (nt kvantarvutid konkreetsete ülesannete jaoks). Moore'i seaduse roll on seega muutunud: vähem kui absoluutse reegli kujul ja rohkem kui juhendina tehnoloogia arengutrendide planeerimiseks.

Kokkuvõte

Moore'i seadus ei ole puhas füüsikaseadus, vaid tööstuse ja teadlaste kokkulepe ja ootusemõõt, mis kirjeldab keerukuse ja jõudluse kiiret kasvu pooljuhttehnoloogias. Kuigi tempo on kohati aeglustunud ja nähtavad on füüsilised piirid, on seaduse mõju olnud sügav ning see on ajendanud nii tehnilist innovatsiooni kui ka globaalseid majanduslikke muutusi.

Küsimused ja vastused

K: Mis on Moore'i seadus?

K: Kes ennustas seda ajavahemikku kiipide jõudluse kahekordistumiseks?

K: Millal seda suundumust esimest korda kirjeldati?

K: Kui täpne on see ennustus olnud?

K: Millised on Moore'i seadusest tulenevad mõjud digitaalelektroonikas?

K: Kui kaua on see suundumus seni kestnud?

K: Kas viimasel ajal on toimunud mingeid muutusi seoses sellega, kui sageli komponendid integraallülitustel kahekordistuvad ?

Otsing