Czy prawo Moore'a wciąż obowiązuje?
| Gospodarka AktualnościO prawie Moore'a, które przez dekady opisywało tempo rozwoju w branży półprzewodników, słyszał każdy elektronik. Pojawiają się jednak opinie, że właśnie przestaje bądź już właściwie przestało obowiązywać oraz głosy przeciwne, że wciąż dobrze charakteryzuje postęp w przemyśle elektronicznym. Niestety, jego autor już się do tego nie odniesie – Gordon E. Moore zmarł w marcu tego roku w wieku 94 lat. Przy tej smutnej okazji przypominamy, czego dotyczy prawo jego imienia oraz przedstawiamy argumenty za i przeciw temu, że nadal jest ono w mocy.
Zgodnie z prawem Moore'a każdego roku liczba tranzystorów w układach scalonych powinna się podwajać, a koszt ich produkcji maleć o połowę. Taką tezę w 1965 roku w artykule napisanym dla „Electronics Magazine” postawił Gordon E. Moore, który wówczas pracował jako kierownik działu R&D w Fairchild Semiconductor, a później został współzałożycielem firmy Intel.
z 1965 roku (źródło: Intel)
Nie była to teoria, którą można by udowodnić naukowo, a raczej stwierdzenie oparte na obserwacji empirycznej. Dwukrotny wzrost liczby tranzystorów w układach scalonych Moore ekstrapolował z danych, którymi wtedy dysponował. Jak wynika z rysunku 1, oryginalnego wykresu, który narysował, by zobrazować opisywaną zależność, w tamtym czasie było ich niewiele. Mimo to założył on, że wykładnicze tempo wzrostu liczby tranzystorów utrzyma się co najmniej kolejne 10 lat.
Prawo Moore'a
Po dekadzie obserwacji rzeczywistego postępu w technologii półprzewodników Moore skorygował swoją prognozę, wydłużając przedział czasu, w którym rośnie gęstość upakowania tranzystorów w układach scalonych z roku do około dwóch lat. W tym czasie też, widząc, że te przewidywania się sprawdzają, po raz pierwszy w odniesieniu do nich oficjalnie użyto terminu „prawo Moore'a”.
Przyszłość pokazała, że okazało się ono prawdziwe znacznie dłużej, niż zakładał jego autor, obowiązując już ponad pół wieku. Dowodem jest wykres na rysunku 2, na którym przedstawiono, jak zmieniała się liczba tranzystorów w układach scalonych od 1970 do 2020 roku. Jak widać, wygląda on podobnie do tego z 1965 roku. Liczba tranzystorów rzeczywiście zatem podwajała się okresowo, tak jak to przewidywał Moore.
Z punktu widzenia użytkowników sprzętu elektronicznego taka tendencja sama w sobie nic nie znaczy. Im więcej tranzystorów, tym jednak moc obliczeniowa układów scalonych jest większa – podwaja się ona mniej więcej co 1,5 roku (rys. 3) i jest obecnie około 2 miliardów razy większa niż w 1960 roku. Znaczenie ma też spadek ich cen. Ponadto inne wskaźniki pod względem zmienności wykazują pewną prawidłowość. Przykładami są zużycie energii przez sprzęt komputerowy i koszt przechowywania danych w pamięci (rys. 4).
Znaczenie prawa Moore'a
Analizując sytuację w branży półprzewodników, specjaliści często powołują się na prawo Moore'a. Jego rzeczywiste implikacje są jednak rzadko wyjaśniane, poza ogólnym stwierdzeniem, że dzięki postępowi w przemyśle elektronicznym moc obliczeniowa komputerów wzrosła, a ich koszt spadł na tyle, że weszły do powszechnego użytku i zrewolucjonizowały praktycznie wszystkie dziedziny naszego życia.
Założenie, które przyjął Gordon Moore, ma jednak dużo większe praktyczne znaczenie, kształtując branżę półprzewodnikową przez napędzanie konkurencji opartej na innowacjach. Dzieje się tak, gdyż wyznacza, a raczej narzuca, tempo jej rozwoju. W efekcie firmy produkujące półprzewodniki mają niejako odgórnie ustalony harmonogram pracy. Dlatego, upraszczając, w dwa lata muszą się „wyrobić” i wprowadzić na rynek kolejną generację układów scalonych, zanim nieuchronnie zrobi to ich konkurencja. Jeżeli nie zdążą, inni z pewnością ich prześcigną.
Wybór jest więc prosty – rozwój w tempie dyktowanym przez prawo Moore'a albo stagnacja, która w praktyce często oznacza zniknięcie z rynku. Innowacje w przemyśle półprzewodnikowym mają również podobne, bezpośrednie przełożenie na branże, które wykorzystują układy scalone, jak i te, z których asortymentu korzystają firmy produkujące półprzewodniki.
Per Second) (źródło: Our World in Data)
Czy prawo Moore'a wciąż obowiązuje?
Lata mijały, a prawo Moore'a wciąż obowiązywało, mimo że sam Gordon Moore pod koniec lat 90. zeszłego wieku martwił się, że ówczesny cel, jakim była produkcja tranzystorów z wymiarem charakterystycznym mniejszym niż 100 nanometrów, w 2005 roku napotka fundamentalne problemy w zakresie wykonalności. Wynikało to stąd, że zaczęto się zbliżać do granic rozmiarów, które są wyznaczane prawami fizyki.
W obawie, że w końcu jednak przestanie się sprawdzać, Moore rozszerzył zakres swojej tezy – nie dotyczyła już ona wyłącznie gęstości upakowania tranzystorów, ale generalnie złożoności układów scalonych. I choć mimo to później jeszcze wielokrotnie ogłaszano, że branża półprzewodników tym razem już na pewno doszła do ściany, dotychczas zawsze udawało się przeciwności pokonać, dzięki innowacjom takim jak: struktury 3D, chiplety czy nowe technologie pakowania układów scalonych. W efekcie, choć nikt się tego nie spodziewał, prawo Moore'a obowiązuje już od ponad 50 lat.
Coraz droższe innowacje
Nie oznacza to jednak, że nie wraca temat jego końca. Ważnym argumentem, poza prawami fizyki, jest to, że postęp staje się coraz droższy. Tymczasem, jak się podkreśla, Moore w swoim artykule z 1965 roku twierdził, że: „koszt komponentu układu scalonego jest odwrotnie proporcjonalny do liczby komponentów”. W tamtych czasach zatem postęp znajdował uzasadnienie ekonomiczne.
Z biegiem lat jednak nie tylko potrzebny był większy wysiłek badawczy (jak oszacowano wzrósł on 18-krotnie od 1971 roku), ale rozwój stawał się coraz droższy. Obecnie z każdą kolejną generacją procesu technologicznego koszt produkcji tranzystorów rośnie szybciej niż gęstość ich upakowania.
Co więc, jeśli rzeczywiście tak, jak wielu wieszczy, prawo Moore'a, będące silnikiem od dekad napędzającym postęp technologiczny, „jedzie na oparach”? Jak się okazuje, pomysłów nie brakuje, a inżynierowie do problemu próbują podejść od innej strony.
Specjalizacja zamiast uniwersalności
Jedną z możliwości branych pod uwagę jest optymalizacja oprogramowania, tak aby kolokwialnie mówiąc, mogło „więcej wycisnąć” z dostępnej mocy obliczeniowej. Dotychczas bowiem było na odwrót – licząc na rosnący potencjał w zakresie przetwarzania, programiści nie mieli motywacji, by pisać wydajniejszy kod. Często też przez to w pełni nie wykorzystywali zmian, które zachodziły w architekturze sprzętowej. Jako przykład podaje się przejście z Pythona na wydajniejszy język C i wykorzystanie wszystkich dostępnych rdzeni, co pozwala na skrócenie czasu obliczeń z godzin do nawet zaledwie sekund.
Może to jednak też niestety oznaczać, że zamiast cenowo dostępnych układów scalonych ogólnego przeznaczenia, dzięki którym upowszechniły się komputery, przybywać będzie tych przeznaczonych do rozwiązywania konkretnych problemów. Za nie będzie trzeba z kolei więcej zapłacić. To zresztą już się od jakiegoś czasu dzieje – coraz więcej firm działających w dziedzinie sztucznej inteligencji projektuje układy scalone zapewniające moc obliczeniową wymaganą przez AI.
Są one jednocześnie mniej wszechstronne niż te „zwykłe”. Specjaliści obawiają się, że przez koncentrację na rozwoju specjalizowanych układów scalonych ucierpi segment tych ogólnego przeznaczenia. I dopiero to tak naprawdę spowolni tempo rozwoju sprzętu elektronicznego. Aby temu zapobiec, już teraz potrzebne są większe inwestycje w nowe technologie, jak komputery kwantowe, spintronika czy tranzystory z nanorurek węglowych.
Podsumowanie
Przez dziesięciolecia przemysł, rządy i uczelnie na całym świecie inwestowały ogromne pieniądze i poświęcały wiele czasu na podążanie ścieżką rozwoju wyznaczaną prawem Moore'a. Stało się ono więc niejako samospełniającą się przepowiednią, która utrzymywała postęp w przemyśle elektronicznym na właściwym torze z niesamowitą precyzją. Chociaż tempo postępu spadło w ostatnich latach, najbardziej zaawansowane układy scalone mają obecnie ponad 50 miliardów tranzystorów. To już samo w sobie jest osiągnięciem, dzięki któremu wiele dziedzin naszego życia uległo diametralnej zmianie. Ze względu na ugruntowaną pozycję i ważność spostrzeżenia Gordona Moore'a dla branży elektronicznej, wydaje się jednak, że jeszcze przez długi czas będziemy świadkami sytuacji takich jak ta w zeszłym roku, gdy w odstępie zaledwie kilku dni dyrektor generalny Intela stwierdził, że prawo Moore'a „żyje i ma się dobrze”, a jego odpowiednik w firmie Ndivia ogłosił, że definitywnie „się skończyło”.
Monika Jaworowska
