Что такое закон Мура и для чего он нужен?

Закон Мура относится к наблюдению, сделанному соучредителем Intel Гордоном Муром в 1965 году, в котором он обнаружил, что число транзисторов на квадратный дюйм в интегральных схемах удваивалось год за годом с момента его изобретения.

Закон Мура предсказывает, что эта тенденция останется неизменной на долгие годы. Хотя скорость снизилась, число транзисторов на квадратный дюйм удваивалось примерно каждые полтора года. Это используется в качестве текущего определения закона Мура.

Указатель содержания

Упрощенная версия этого закона гласит, что скорости процессора или общая вычислительная мощность компьютеров будут удваиваться каждые два года. Быстрая проверка между специалистами из разных компьютерных компаний показывает, что этот термин не очень популярен, но правило все еще принимается.

Если бы мы исследовали частоты процессора с 1970 по 2018 годы, а затем снова в 2019 году, мы могли бы подумать, что закон достиг своего предела или приближается. В 1970-х годах скорости процессора варьировались от 740 кГц до 8 МГц, однако на самом деле закон более точен в применении к транзисторам, чем к скорости.

Объем вычислительной мощности, который мы можем теперь использовать на самых маленьких устройствах, несколько примечателен по сравнению с тем, чего можно было достичь, скажем, десятилетие назад.

Оглядываясь назад, даже на пять лет или около того, лучший на тот момент ПК считался бы устаревшим по сравнению с нынешним ПК.

Это возможно просто потому, что производители микросхем способны значительно увеличивать количество транзисторов в микросхеме каждый год, поскольку прогресс в исследованиях микросхем улучшается.

Расширение Закона Мура заключается в том, что компьютеры, компоненты на базе компьютеров и вычислительная мощность со временем становятся меньше и быстрее, поскольку транзисторы в интегральных схемах становятся более эффективными.

Транзисторы - это простые электронные выключатели, встроенные в микросхемы, процессоры и небольшие электрические цепи. Чем быстрее они обрабатывают электрические сигналы, тем эффективнее становится компьютер.

Стоимость этих высокопроизводительных компьютеров также со временем снижалась, как правило, примерно на 30 процентов в год. Когда разработчики аппаратного обеспечения повысили производительность компьютеров с улучшенными интегральными схемами, производители смогли создать более совершенные машины, которые могли бы автоматизировать определенные процессы. Эта автоматизация создала более дешевые продукты для потребителей, так как аппаратное обеспечение привело к снижению затрат на рабочую силу.

Закон Мура в современном обществе

Через пятьдесят лет после принятия закона Мура современное общество видит десятки преимуществ, раскрываемых этим законом. Мобильные устройства, такие как смартфоны и настольные компьютеры, не будут работать без очень маленьких процессоров. Меньшие, более быстрые компьютеры улучшают транспорт, здравоохранение, образование и производство энергии. Практически каждый аспект общества высоких технологий получает выгоду от концепции закона Мура, воплощенной в жизнь.

Сегодня все потребительские процессоры сделаны из кремния, второго наиболее распространенного элемента в земной коре после кислорода. Но кремний не является идеальным проводником, и ограничения на подвижность электронов, которые он несет, накладывают жесткий предел на то, насколько плотно вы можете упаковывать кремниевые транзисторы.

Но не только потребление энергии является огромной проблемой, но также и эффект, называемый квантовым туннелем, может вызвать проблемы с удержанием электронов за пределами определенного порога толщины.

Кремниевые транзисторы в настоящее время достигают 14 нанометров, и, хотя в ближайшее время на рынке появятся чипы 10-нанометровых конструкций, был сделан вывод о том, что для соблюдения закона Мура в течение длительного периода времени компаниям придется создавать новые и лучшие материалы, чтобы стать основой компьютеров следующего поколения.

Закон Мура в будущем

Благодаря нанотехнологиям некоторые транзисторы меньше вируса. Эти микроскопические структуры содержат идеально выровненные молекулы кремния и углерода, которые помогают быстрее перемещать электричество по цепи.

В конце концов, температура транзисторов делает невозможным создание меньших цепей, потому что охлаждение транзисторов требует больше энергии, чем то, что проходит через транзисторы. Эксперты показывают, что компьютеры должны достичь физических ограничений закона Мура когда-нибудь в ближайшие несколько лет. Когда это произойдет, компьютерным ученым придется изучить совершенно новые способы создания компьютеров.

Приложения и программное обеспечение могут повысить скорость и эффективность компьютеров в будущем, а не физических процессов. Облачные технологии, беспроводная связь, Интернет вещей и квантовая физика также могут сыграть важную роль в инновациях в области информационных технологий.

Прогресс в удвоении числа цепей замедлился, и интегральные схемы не могут стать намного меньше, поскольку транзисторы становятся ближе к размеру атома.

В какой-то момент в будущем достижения в области программного или аппаратного обеспечения могут сохранить мечту о законе Мура. Тем не менее, компьютерная индустрия, похоже, готова перейти на другой курс, который продвинется через несколько лет.

Прогресс закона Мура

Хотя закон Мура говорил об этом каждые два года, этот быстрый рост технологического производства сократил этот период в умах как техников, так и пользователей.

Существующее ограничение состоит в том, что, как только транзисторы могут быть созданы столь же маленькими, как атомные частицы, на рынке процессоров больше не будет места для роста, когда речь заходит о скоростях.

Мур отметил, что общее количество компонентов в этих цепях примерно удваивается каждый год, поэтому он экстраполировал это ежегодное дублирование на следующее десятилетие, полагая, что микросхемы 1975 года будут содержать ошеломляющие 65 000 компонентов на чип.

В 1975 году, когда темпы роста начали замедляться, Мур пересмотрел свои двухлетние временные рамки. Его пересмотренный закон был немного пессимистичным; Примерно через 50 лет после 1961 года количество транзисторов удваивалось примерно каждые 18 месяцев. Впоследствии журналы регулярно ссылались на закон Мура, как если бы это был технологический закон с безопасностью законов движения Ньютона.

То, что сделало возможным этот драматический взрыв в сложности схемы, было уменьшением размера транзисторов за десятилетия.

Транзисторные характеристики, которые измеряют менее микрона, были достигнуты в течение 1980-х годов, когда микросхемы динамической оперативной памяти (DRAM) начали предлагать возможности хранения в мегабайтах.

На заре XXI века эти характеристики достигли ширины 0, 1 микрона, что позволило производить микросхемы гигабайтной памяти и микропроцессоры, работающие на гигагерцевых частотах. Закон Мура продолжился во втором десятилетии 21-го века с введением десятки- нанометровых трехмерных транзисторов.

Ближний конец закона Мура

Поскольку закон Мура предполагает экспоненциальный рост, он вряд ли будет продолжаться бесконечно. Большинство экспертов ожидают, что закон Мура продлится еще два десятилетия. Некоторые исследования показали, что физические ограничения могут быть достигнуты в 2018 году.

Согласно недавнему отчету Международной технологической дорожной карты для полупроводников (ITRS), в которую входят гиганты микросхем, такие как Intel и Samsung, транзисторы могут достичь точки, в которой они не смогут быть дополнительно сокращены к 2021 году. Компании утверждают, что для того, чтобы тогда экономически нецелесообразно уменьшать их, что в конечном итоге положит конец закону Мура.

Это означает, что, хотя они могли бы физически стать меньше, теоретически они достигли бы того, что ITRS называет «экономическим минимумом», что означает, что это сделало бы только непомерно высокие затраты.

Это не первый раз, когда теория Мура ставится под сомнение. В прошлом году исполнительный директор Intel Брайан Крзанич объявил, что изменение размера с одного транзистора на другой занимает от двух до двух с половиной лет. Крзанич подверг сомнению это во время звонка Intel с заработком, заявив, что производственные процессы не развивались такими же темпами, как в прошлом.

Тем не менее, ITRS считает, что это не означает конец концепции, стоящей за Законом, поскольку производители находят все более инновационные способы для введения большего количества переключателей в данном пространстве. Возьмем, к примеру, технологию Intel NAND 3D, которая предполагает размещение 32 слоев памяти друг над другом для создания огромных объемов памяти.

Заключительные слова и заключение

До сих пор закон Мура снова и снова оказывался верным, и в результате уже давно считается, что он отвечает за большинство достижений в цифровую эпоху, от ПК до суперкомпьютеров, из-за его Используется в полупроводниковой промышленности для управления долгосрочным планированием и определения целей исследований и разработок.

Закон Мура - это экономический, а не физический закон. Это указывает на то, что каждый новый чип будет иметь в два раза больше транзисторов и, следовательно, будет рассчитывать емкость предыдущего поколения при тех же производственных затратах.

Это простое эмпирическое правило на протяжении более полувека подпитывает все достижения технологической революции и продолжает определять постоянно расширяющиеся границы современных технологий, позволяя нам использовать такие понятия, как искусственный интеллект и автономные транспортные средства, - и воплощать их в жизнь.

Этот закон приобрел известность, потому что людям нравятся законы, которые позволяют им предсказывать будущее одной из крупнейших в мире отраслей, но физическая основа этого принципа означает, что он немного отличается и менее надежен, чем многие люди. считает.

Физические ограничения в изготовлении этих чипов могут легко отодвинуть это число до пяти и более лет, фактически навсегда аннулируя закон Мура.

Исходные изображения Wikimedia Commons