Закон Мура что такое? Что означает закон мура простыми словами и действует ли он в 2023 году

Содержание

Определение закона Мура

Принцип закона Мура гласит, что, поскольку количество транзисторов на кремниевой микросхеме примерно удваивается каждые два года, производительность и возможности компьютеров будут продолжать расти, а цена компьютеров падать. Это предсказание сделал американский инженер Гордон Мур в 1965 году.

Закон представляет собой описание тенденции в производстве полупроводников. Это не естественный процесс, а процесс, который подпитывается научно-техническим прогрессом и требует для своего продолжения постоянных инноваций. Закон основан на наблюдении за экспоненциальным ростом электроники с течением времени, не обнаруживающим признаков технологического застоя.

Закон Мура был наблюдением, сделанным Гордоном Муром в 1965 году. Эмпирические наблюдения Мура служат его основой. Из наблюдаемой статистики он экстраполировал количество транзисторов на микрочипе, которое ежегодно удваивается.
Большая часть этого роста плотности чипов обусловлена четырьмя основными факторами: размером кристалла, размером линии, техническим совершенством и технологическими инновациями.
С годами в законе наблюдается упадок. Ослабление является результатом растущей сложности, связанной с созданием передовых технологий.

Объяснение закона Мура

Закон Мура был одним из лучших технологических предсказаний за последние 50 лет. Гордон Э. Мур предсказал, что число компонентов интегральной схемы (ИС) будет увеличиваться вдвое в год. Его постулат стал известен как закон Мура и был подтвержден в 1975 году. Большая часть этого роста плотности микросхем обусловлена четырьмя основными факторами: размером кристалла, линейным размером, техническим совершенством и технологическими инновациями.

По наблюдению Мура, одним из основных преимуществ встроенной электроники является ее низкая стоимость. Это преимущество растет по мере развития технологий; одна полупроводниковая подложка может выполнять более сложные функции схемы. Стоимость одного компонента в простых схемах почти обратно пропорциональна количеству компонентов. Однако стоимость компонента имеет тенденцию к увеличению при добавлении большего количества компонентов, а более низкая производительность компенсирует рост сложности. В результате в любой момент технологического развития существуют минимальные затраты. Например, прогноз стоимости производства одного компонента в 1970 году был лишь в десять раз меньше, чем в 1965 году.

По его собственным словам, Мур описывает, что сначала это было просто наблюдение, попытка предсказать, что это будет способ сделать электронику дешевле. Тем не менее, отрасли постоянно совершенствуются, и различные технологические узлы регулярно появляются, чтобы не отставать от достижений. Таким образом, все участники бизнеса осознали, что если они не будут двигаться так быстро, то отстанут от технологий, что приведет к дальнейшему и ускоренному росту.

Примеры

Давайте рассмотрим два примера, которые могут лучше продемонстрировать закон Мура:

Возьмем случай с законом Мура для Intel. В 1971 году Intel представила Intel 4004 с числом транзисторов 2250. А в 1974 году появился процессор Intel 8080 с возможностью использования 6000 транзисторов. Два года спустя Intel представила процессор Intel 8085 с 6500 транзисторами в 1976 году. В 1978 году Intel 8086 вышел с 29000 транзисторов. Затем в 1980 году появился Intel 8051 с 50 000 транзисторов, а затем Intel 80186 с 55 000 транзисторов в 1982 году.

Наконец, в 1985 году Intel 80386 имел 275 000 транзисторов. Это стало известно как закон Intel Мура. Из приведенных выше данных видно, что количество транзисторов увеличивалось с годами с периодом в два года.

Релевантность транзисторов на площадь кремния, в отличие от транзисторов на чип, изменилась, что является альтернативным объяснением отклонения от закона Мура. Один из первых трех технологических факторов, определяющих закон Мура, а именно размер микросхемы, иллюстрирует это на примере отраслевой тенденции. К середине 1990-х годов рост рынка чипов замедлился до 10% в год (приблизительно) после роста примерно на 20% в год на протяжении 1970-х годов. Однако к концу 1990-х площадь чипов выровнялась». В дорожной карте SIA 1997 года прогнозировалось, что в 2009 году размер чипа DRAM превысит 11 см2.

Как и десять лет назад, редко можно найти стружку размером более 2 см2. Хотя ожидалось еще одно изменение графика закона Мура, отсутствие растущего размера микросхемы как фактора сложности увеличилось. Вместо этого скорость уменьшения размера объекта увеличилась, что позволило закону Мура оставаться в силе.

Закон Мура мертв?

Во втором десятилетии 2000-х было очевидно замедление роста рынка чипостроения. Производство Intel 10-нанометровых чипов является одним из наиболее ярких примеров. Intel была одним из пионеров в индустрии микросхем и ведущим блюстителем закона. Когда закон Мура был на двухлетнем уровне роста, компания выпустила их в 2019 году, через пять лет после предыдущего поколения 14-нанометрового функционального чипа.

Конец закона Мура и медленный рост не были внезапными, но очевидными с 1999 года. Исследователи из Intel беспокоились о том, что к 2005 году они не смогут сделать транзисторы намного более производительными и менее 100 нанометров. Были физические препятствия, такие как квантовая эффекты рассеяния электронов. Однако технологические отрасли годами уклонялись от них, изобретая новые методы, такие как использование экстремального УФ (ультрафиолетового) излучения. Длины видимого света стали толще, и они могли вырезать только кремниевые элементы размером всего в несколько десятков нанометров. Они пришли с растущими расходами.

Самые современные предприятия по производству чипов также дорожают. Многие ожидают, что к 2022 году затраты на фабрики (лаборатории по производству полупроводников) вырастут как минимум на 16 миллиардов долларов, при этом среднегодовой прирост составит 13%. (2020). В результате осталось всего три компании, которые будут производить чипы следующего поколения. Это снижение с восьми в 2010 году и 25 в 2002 году.

Конец закона Мура

В соответствии с генеральный директор NvidiaДжен-Сун Хуан, близится конец закона Мура. Он считает, что за последние несколько лет масштабирование ЦП значительно увеличило количество транзисторов. Но заметного прироста скорости не произошло. Для сравнения, за тот же период GPU значительно продвинулись в скорости. По сравнению с ожиданиями, рост производительности ЦП за последние несколько лет был вялым. В результате Intel уделила больше внимания снижению энергопотребления и повышению производительности в средах с низким энергопотреблением.

Закон Мура исторически интерпретировался как утверждение, что производительность ЦП будет удваиваться каждые 18–24 месяца, но это не соответствует действительности. Закон Мура предсказывал удвоение количества транзисторов, а не чистое быстродействие. Компании уделяют все больше внимания энергоэффективности и интеграции компонентов, а не просто концентрируются на увеличении количества транзисторов и тактовых частот. Процессоры не масштабируются так хорошо, как раньше, из-за появления специализированных процессоров, предназначенных для обработки задач искусственного интеллекта и глубокого обучения. Тем не менее, некоторые части технологического сообщества все еще надеются, что закон еще не умрет.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Сохраняется ли закон Мура в силе?

Вопрос открыт для обсуждения. В то время как доказательство закона замедляется, некоторые все еще надеются, что будут новые приложения, которые будут продвигать наследие закона.

2. Когда закончится действие закона Мура?

Закон перестанет действовать, когда технологические достижения перестанут соответствовать предсказаниям Гордона Мура. Чтобы удвоить или увеличить эти достижения, требуется более двух лет.

3. Замедляется ли закон Мура?

Данные показали признаки замедления, например, упомянутые выше чипы Intel размера Nano. Это связано с возрастающими сложностями, возникающими в процессе разработки передовых технологий.

4. Когда был создан закон Мура?

Гордон Мур в 1965 году предсказал, что число компонентов интегральной схемы будет увеличиваться с каждым годом, пока к 1975 году не достигнет 65 000. После того, как в 1975 году это было подтверждено, он заменил его на удвоение количества транзисторов на микросхеме каждые два года.

Что такое закон Мура?

В 1965 году Гордон Е. Мур, соучредитель компании Intel, сообщил, что количество транзисторов на квадратный дюйм интегральной схемы удваивалось примерно каждый год с момента ее изобретения в 1958 году. В то время Мур предсказал, что эта тенденция сохранится еще как минимум десять лет

В своей работе 1965 года ‘Увеличение количества компонентов на интегральных схемах’ Мур писал:

Поскольку стоимость единицы продукции снижается по мере увеличения количества компонентов на схему, к 1975 году экономика может диктовать необходимость размещения на одном кремниевом чипе до 65 000 компонентов

Этот прогноз оказался не совсем верным. К 1975 году чипы содержали всего по 10 000 транзисторов, поэтому Мур изменил свое предсказание на удвоение примерно каждые два года, а позже – на удвоение каждые 18 месяцев. Закон Мура (обновленный) оставался верным почти 50 лет

Image Credits:Макс Розер, Ханна Ричи / Наш мир в данных.

Примерно в 2010-х годах рост плотности транзисторов начал замедляться. Сегодня более 50 миллиардов транзисторов находят место на одном чипе, и мы наблюдаем удвоение примерно каждые два с половиной года

Строго говоря, закон Мура больше не действует. Но хотя его экспоненциальный рост замедлился, мы будем продолжать наблюдать увеличение плотности транзисторов еще несколько лет. Более того, инновации будут продолжаться, не ограничиваясь уменьшением физических компонентов

Почему закон Мура сохранился?

Когда закон Мура получил широкое признание, в отрасли начали разрабатывать дорожные карты и ставить цели, основанные на прогнозе Мура. Поскольку производство интегральных схем становилось все более сложным и включало в себя взаимодействие различных специализированных компаний, потребовался план, который помог бы всем сторонам установить индивидуальные цели и продвигаться вперед одинаковыми темпами

С 1998 по 2017 год основой для такого плана служила Международная технологическая дорожная карта для полупроводников (ITRs)— ежегодный отчет, подготовленный группой экспертов полупроводниковой промышленности—В ITRS документируются исследования во всех областях, имеющих отношение к полупроводникам, и приводятся сроки на 15 лет вперед. Сегодня эту задачу взяла на себя Международная дорожная карта для устройств и систем (IRDS)

В конечном итоге, закон Мура послужил видением для целой отрасли и стал чем-то вроде вечного самоисполняющегося пророчества. Но в середине 2020-х годов он неизбежно столкнется с еще одним серьезным препятствием

Больше Мура – больше, чем Мур

Поскольку плотность наноразмерных транзисторов достигает молекулярных пределов, охлаждение схем становится невозможным. Следовательно, закон Мура будет сходить на нет, что, по прогнозам самого Мура, произойдет примерно после 2020 года. Однако это может не означать конец закона Мура. Скорее, мы увидим, как закон Мура переходит в новое измерение

В ‘Белой книге’ 2010 года Арден из ITRS и др.постулировали:

Закон Мура (он же ‘больше Мура’) подталкивает технологии к уменьшению размеров физических компонентов при одновременном повышении плотности и производительности. Предложенная методология ‘Больше чем Мур’ (MtM) будет продолжать подпитывать усилия ITRS по составлению дорожных карт

Тем временем сама компания Intel разработала новые технологии, такие как 3D транзисторы CPU или GAAFET, которые способны в 10 раз повысить производительность и эффективность обработки данных. Эти достижения сами по себе могут привести к появлению новых процессоров, которые будут поддерживать закон Мура далеко за пределами 2025 года

Image Credits: Arden et al./ ‘More-than-Moore’ White Paper.

Технология More than Moore (MtM) опирается на альтернативные технологии, такие как система в упаковке, твердотельное освещение, интегрированные радиочастотные функции или органические технологии. Она дополняет ‘Больше Мура’ и может продлить действие обновленного закона Мура еще на одно десятилетие и далее

Забавный факт: Из-за своего постоянного успеха сам Мур однажды описал свой закон как нарушение закона Мерфи: ‘Все становится все лучше и лучше’

Обратная сторона закона Мура

С одной стороны, закон Мура стимулировал технологический прогресс. Целая индустрия была создана для того, чтобы идти в ногу с прогнозом Мура. В результате многие из других предсказаний Мура относительно технологий, например, домашние компьютеры или персональное портативное коммуникационное оборудование.домашние компьютеры или персональное портативное коммуникационное оборудование, все из которых управляются крошечными процессорами, также сбылись

Сегодня все мы пользуемся этими технологиями, привыкли к быстрому развитию и предвкушаем будущие инновации. Так и вы, представитель стороны потребителя, как говорят, продолжаете ожидать и требовать технологического прогресса. А вы?

На одной из обратных сторон закона Мура, однако, мы имеем The Great Moore’s Law Compensator (TGMLC), также известный как разбухание программного обеспечения или закон Вирта, и несколько производных.TGMLC основан на поговорке, придуманной швейцарским компьютерным ученым Никлаусом Виртом, который в 1995 году процитировал Мартина Райзера в своей статье A Plea for Lean Software:

Программное обеспечение становится медленнее быстрее, чем аппаратное становится быстрее

Таким образом, по сути, конечные пользователи не обязательно выигрывают от развития аппаратной части, поскольку разработчики программного обеспечения чувствуют себя вынужденными или освобожденными создавать продукты, которые в равной степени более сложны и требовательны к ресурсам

Популярным примером является Microsoft Office. В 2008 году Рэндалл С. Кеннеди, бывший сотрудник Intel, продемонстрировал TGMLC, используя стандартный компьютер 2000 года с Office 2000 и стандартный компьютер 2007 года с Office 2007. Когда обе версии Office выполняли одну и ту же задачу, Office 2007 делал это в два раза быстрее, чем Office 2000

Итак, вы не сошли с ума, если ваш новый компьютер кажется медленнее старого спустя совсем немного времени. Скорее всего, вы просто обновили программное обеспечение

Закон Мура остается актуальным

Важнее, чем предсказание будущего, закон Мура был руководящим принципом, определяющим развитие интегральных схем на протяжении более чем полувека. Несмотря на неоднократные, казалось бы, непреодолимые трудности, целая индустрия продолжала сотрудничать для создания все новых и новых инноваций. Таким образом, закон Мура доказывает, что цели могут определять наше будущее

Закон Мура будет продолжать стимулировать инновации, но, возможно, в таких формах, которые мы сегодня еще не можем себе представить. В настоящее время IRDS считает основными движущими силами будущих инноваций новые полупроводниковые материалы, искусственный интеллект и рост цен на редкоземельные металлы

Как вы помните, закон Мура есть результат наблюдательности господина Мура, который при его формулировке не задумывался о законах математики и физики. Поэтому, чтобы он работал и далее, нужно, чтобы производители каждые два года умудрялись «впихивать» в чип в два раза больше транзисторов.

К сожалению, этот процесс не может быть бесконечным, и уменьшение размеров транзисторов имеет свой предел. Связано это в первую очередь с физическими ограничениями: невозможно делать элементы бесконечно маленькими. Когда транзистор станет размером в несколько атомов, в силу вступят квантовые взаимодействия. Это означает, что предсказать движение электронов станет просто невозможным,а это сделает транзистор бесполезным.

Но проблемы на этом не закончатся. Чем больше количество транзисторов в чипе, тем больше тепловыделение. Как вы знаете, высокие температуры сильно влияют на проводимость тока, что опять же может сделать транзистор непригодным.

На данный момент самый маленький размер транзисторов – 22 нанометра – в процессоре Intel Haswell (1 нанометр равен одной миллиардной части метра, т. е. 10−9метра). У корпорации Intel ещё имеется потенциал дальнейшего уменьшения размеров транзистора. Так, 10-нанометровые чипы должны появиться на рынке во второй половине 2017 года.

С каждым годом удвоение транзисторов на кристалле уже не делает их дешевле. Иначе говоря, следовать закону Мура уже невыгодно для производителей. Ведь с каждым новым шагом на преодоление физических барьеров начинает уходить больше средств: сложные материалы, суперсовременное оборудование, огромный штат научных сотрудников и при этом – большое количество отбракованных микросхем, ведь при создание супертонкой кристаллической кремниевой пластинки с встроенными в неё микроскопическими транзисторами будет очень чувствительна даже к небольшим, незаметным человеку изменениям, например колебаниям земной коры.

Итак, рано или поздно, законы природы положат конец господству закона Мура. Окончание эры стремительного развития кремниевых транзисторов предсказывают на 2020-2025 годы. Что же ждёт компьютеры дальше? Эксперты предрекают, что появятся 3D- и молекулярные транзисторы, а в более далёкой перспективе – квантовые.

Основные характеристики компьютеров улучшаются в два раза каждые два года.

В 1960-е годы, в самом начале информационной революции, Гордон Мур, впоследствии один из основателей корпорации Intel, обратил внимание на интересную закономерность в развитии компьютеров. Он заметил, что объем компьютерной памяти удваивается примерно каждые два года. Эта закономерность стала своего рода эмпирическим правилом в компьютерной промышленности, и вскоре оказалось, что не только память, но и каждый показатель производительности компьютера — размер микросхем, скорость процессора и т. д. — подчиняется этому правилу.

Последующее развитие компьютеров шло в соответствии с «законом» Мура. Поразительно, но в последние десятилетия мы стали свидетелями нескольких настоящих революций в области технологий. Мы прошли путь от компьютеров на ламповых транзисторах к компьютерам на интегральных схемах и далее — к компьютерам на микропроцессорах, и каждый раз закон Мура находил подтверждение. В 1960-е годы ни один человек в Силиконовой долине не мог даже предположить, что современные технологии производства позволят размещать миллионы элементов в кремниевом кристалле (чипе) размером с почтовую марку. Но когда в соответствии с законом Мура должна была возникнуть такая степень интеграции, она возникла. Правда, закон Мура, похоже, стал действовать быстрее — за последние несколько лет период удвоения производительности сократился с двух лет до полутора.

Однако рано или поздно законы природы положат конец господству закона Мура. Взять, к примеру, размеры элементов микросхемы. Закон предсказывает, что к 2060 году они должны будут стать размером с одиночный атом — что невозможно с точки зрения квантовой механики!