Закон Мура. История и современное толкование.

0
251

Закон Мура — до 1980 года число транзисторов на одном кристалле удваивается каждый год, а после 1980 года — количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 2 года.

Чтобы понять истоки закона Мура, сначала следует рассказать о процессе производства интегральных схем (далее ИС): большой кремниевый цилиндр распиливается на отдельные круглые дольки – “подложки”; на каждой подложке с помощью масок формируется множество одинаковых схем; схемы прямо на подложке проверяются специальным тестером; наконец подложка распиливается на отдельные чипы, и бракованные выбрасываются, а исправные упаковываются в отдельные корпуса. Типичный показатель выхода в производстве чипов – от 20% до 80%.

Таким образом, затраты на производство чипа можно разделить на три части:

а) затраты на технологию (разработка схемы, постройка фабрик, маркетинг и т.п.) – не зависят от количества произведённых чипов;
б) затраты на пластину (формирование на ней схем и их проверка) – зависят от количества всех производимых чипов, исправных и неисправных;
в) затраты на чип (упаковка в корпус, транспортировка и т.п.) – зависят от количества исправных чипов.

Фото графика зависимости числа транзисторов на кристалле микропроцессора от времени. Закон Мура.
Зависимость числа транзисторов на кристалле микропроцессора от времени

19 апреля 1965 г. директор исследовательского отдела Fairchild Semiconductor Гордон Мур (ставший в 1968 г. со-основателем фирмы Intel) опубликовал в юбилейном выпуске журнала “Electronics” статью “Втискивая ещё больше компонентов на интегральные схемы”, посвящённую прогрессу микроэлектроники за эти годы. Один из тезисов этой работы, позже названный как “закон Мура”, состоял в следующем: наиболее выгодное число транзисторов на одном кристалле удваивается каждый год.

История

В 1960-х г.г. фирмы, которые производили микроэлектронику – например Fairchild, – получали заказы на системы целиком: выбор её архитектуры оставался за фирмой-производителем ИС. Один из вопросов, который вставал перед разработчиками при выборе архитектуры – “каким образом разбить логику системы по отдельным ИС?” Если выбрать слишком мелкое дробление (крайний случай – собрать всю систему из отдельных транзисторов), то расходы на упаковку компонентов в отдельные корпуса и их последующую сборку будут слишком большими; если же упаковывать на одном кристалле слишком большие логические блоки, то большой размер получившейся ИС приведёт к повышению брака, т.к. вероятность повредить какой-либо компонент схемы (и стало быть, всю схему целиком – ведь ИС невозможно чинить!) пропорциональна числу компонентов на схеме. Поскольку на кремниевой подложке и на каждой из используемых в производстве ИС масок неизбежно имеется определённое число дефектов, и каждый точечный дефект приводит к браку одной ИС, то (для одних и тех же производственных условий) чем больше будет ИС на подложке, т.е. чем мельче они будут, – тем больше будет выход готовых ИС. Таким образом, существует некоторое оптимальное количество транзисторов, которые выгодно размещать на одном кристалле: большее количество приведёт к уменьшению выхода, меньшее – к увеличению расходов на чип. Мур начертил два графика зависимости цены производства ИС от количества транзисторов на ней – для 1962 и 1965 г.г.

Наконец, в своей статье Мур предрекает, что установленная им тенденция продолжит своё существование ещё на протяжении десяти лет. И действительно, в 1975 г. вышла вторая статья Мура – “Прогресс в цифровой интегральной электронике”, анализирующая достижения прошедших 10 лет. Теперь Мур уже анализировал вышедшие на рынок ИС, а не теоретические расчёты; оказывалось, что число транзисторов в них действительно примерно удваивалось каждый год!

Проанализировав рост площади кристалла и уменьшение в размерах компонентов ИС отдельно, Мур нашёл периоды удвоения соответственно в 44 мес. и 6 лет. Вместе это ещё не давало практически наблюдаемого ежегодного удвоения, и Мур ввёл третью составляющую количества транзисторов, упакованных на одной ИС – “остроумие” разводки схем. Пока микроэлектроника только-только осваивала производство ИС, большую часть площади кристалла занимали соединения между транзисторами; постепенно, с переходом к более мощным средствам разводки схем, инженеры получили возможность упаковывать те же самые транзисторы на тех же самых кристаллах более плотно. Теперь же, по словам Мура, этот ресурс почти исчерпал себя – “остроумнее” современных схем уже мало что можно изобрести – и поэтому скорость роста числа транзисторов на кристалле уменьшилась.

Новое пророчество Мура – продолжение старой тенденции (наиболее выгодное число транзисторов на одном кристалле удваивается каждый год) до 1980 г., а после 1981г — удвоение плотности транзисторов каждые 2 года.

На основании этих двух графиков Мур и пришёл к своему выводу, формулирующему экспоненциальный рост технологических возможностей: в будущем кремний подложек будет настолько чистым, а маски настолько точными, что выгодно будет выпускать ИС даже с гигантским числом транзисторов. Особо стоит отметить, что его утверждение относится к чисто абстрактным расчётам, учитывающим только возможности современной технологии и не учитывающим конкретные производимые ИС; кроме того, оно относится к построению систем целиком, а не к выпуску на рынок отдельных чипов, которые затем будут собраны в системы кем-то другим.

В 1975 г. администратор Intel Дэвид Хаус (1943), автор слогана “Intel inside”, объявил на конференции, что удвоение числа транзисторов в микропроцессорах каждые 24 мес., вкупе с увеличением их тактовой частоты, приведёт к удвоению их производительности каждые 18 мес. Это утверждение также часто цитируют как “закон Мура”. Само название “закон Мура” впервые было дано утверждению Мура в его второй работе профессором Caltech Карвером Мидом.

Толкование Закона Мура

Мы уже познакомились с “законами Мура”, имеющими авторство самого Гордона Мура, и ещё одним – от Дэвида Хауса. Вообще же, известен следующий список формулировок этого закона:

  • “наиболее выгодное число транзисторов на кристалле удваивается каждый год”
  • “число транзисторов в производимых чипах удваивается каждые два года”
  • “технологически возможное число транзисторов на кристалле удваивается каждые два года”
  • “производительность МП удваивается каждые 18 мес.”
  • “тактовая частота МП удваивается каждые 18 мес.” (т.к. некоторые вообще не разделяют понятия “производительности” и “тактовой частоты”, иногда закон Мура цитируется в предыдущей форме, а для его иллюстрации приводятся графики роста тактовой частоты МП)
  • “вычислительная мощность компьютера удваивается каждые 18 мес.” (в рассмотрение добавляется программное и аппаратное обеспечение)
  • “доступная вычислительная мощность удваивается каждые 18 мес.” (применительно к человеку/организации/человечеству, т.е. не ограничиваясь одним компьютером)
  • “плотность транзисторов на чипе удваивается каждые 18 мес.” (крайне распространённая формулировка, явно противоречащая идее Мура, который рассматривал число транзисторов на ИС в целом)
  • “вычислительная мощность, доступная за $1, удваивается каждые 18 мес.” / “цена одного MIPS-а падает вдвое каждые 18 мес.” (в рассмотрение вводится рынок)
  • “стоимость чипа падает вдвое каждые 18 мес.” (самая размытая – неясно, что считать “тем же самым” либо “таким же” чипом через 18 мес.)
  • “ёмкость памяти/жёстких дисков удваивается каждые 18 мес.” / “цена за 1Мб падает вдвое каждые 18 мес.” (хотя вовсе не о ИС, по-прежнему называется именем Мура)

Напомним, ранее на ai360.com.ua выходил материал Количество вычислений в ИИ растет экспоненциально и уже в 5 раз опережает закон Мура!