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.
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!
