Przez prawo Moore'a są prawa empiryczne , które odnoszą się do rozwoju mocy obliczeniowej komputerów i złożoności sprzętu .
Pierwsze z tych praw zostało wydane przez inżyniera Gordona E. Moore'a w 1965 roku, kiedy postulował kontynuację podwajania złożoności półprzewodników każdego roku przy stałych kosztach. Dziesięć lat później Moore dostosował swoje przewidywania do podwojenia liczby tranzystorów w mikroprocesorze co dwa lata. Ten drugi postulat okazał się szczególnie słuszny i spopularyzował termin „prawo Moore'a”, tak że to ostatnie rozciągnęło się na podwojenie dowolnej zdolności w danym czasie.
Pierwszy mikroprocesor ( Intel 4004 ) został wynaleziony w 1971 roku . Była to 4- bitowa jednostka obliczeniowa , taktowana z częstotliwością 740 kHz i integrująca 2300 tranzystorów. Zdolność integracji tranzystorów i wzrost próby grawerowania poprawiły wydajność procesorów.
Błędna interpretacja prawa Moore'a dotycząca częstotliwości zegara została mniej więcej zweryfikowana od 1973 roku i teoretycznie powinna trwać do 2015 roku, zanim natknęliśmy się na skutki pasożytniczego szumu ( efekty kwantowe , rozpady alfa ). Od 2004 r. Częstotliwość procesorów wykazuje tendencję do stagnacji z powodu trudności z rozpraszaniem ciepła, które zapobiegają wzrostowi częstotliwości pomimo mniejszych rozmiarów elementów. W 2016 roku częstotliwości procesorów zbliżyły się do progu 5 GHz . Rekord 500 GHz pobił IBM (we współpracy z Georgia Tech ) tranzystorem wyposażonym w chip krzemowo-germanowy, który na tę okazję został schłodzony do -269 ° C ciekłym helem. Ten tranzystor nadal działa z częstotliwością 350 GHz w temperaturze pokojowej. W 2018 roku Intel przekroczył próg 7,5 GHz dzięki procesorowi Core i9-9900K, optymalizując wykorzystanie ciekłego azotu w układzie chłodzenia .
Jednak drugie prawo Moore'a jest zawsze przestrzegane ze względu na zdolność integracji procesorów zawsze w toku, która umożliwia ominięcie stagnacji częstotliwości przez podwojenie na chipie liczby tranzystorów, częstotliwości pozostałej dla jego część niezmieniona (Dual PowerPC w 2002 r. , Dual IA w 2004 r. , Intel Core Duo w 2006 r .).
Ponadto eksperymentujemy z układami Działającymi w trybie całkowicie asynchronicznym . Idea obwodów asynchronicznych nie jest nowa, ponieważ została przetestowana w 1951 roku z IAS i w 1952 z ORDVAC. Widzimy, że prosta transmisja sygnału zegarowego do wszystkich komponentów może pochłonąć połowę miejsca i mocy elektrycznej mikroprocesorów z 2000 roku.
Użycie przetwarzania równoległego stało się w pierwszej dekadzie XXI wieku konieczne, aby prawo Moore'a pozostało ważne. Przez lata twórcy procesorów byli w stanie zapewnić wzrost częstotliwości zegara i poprawę równoległości zestawu instrukcji, dzięki czemu aplikacje jednowątkowe działają znacznie szybciej na maszynie jednowątkowej . Nowa generacja procesorów bez konieczności wprowadzania jakichkolwiek modyfikacji. Teraz, aby lepiej zarządzać rozproszoną mocą (bezpośrednio powiązaną z częstotliwością zegara), założyciele preferują architektury wielordzeniowe. Ma to niezwykle duży wpływ na oprogramowanie, które musi być napisane i specjalnie przystosowane do wykorzystania sprzętu.
Kolejny czynnik może spowolnić postęp wydajności procesora, który tym razem nie ma nic fizycznego, ale finansowy . Koszt linii produkcyjnych również rośnie wykładniczo, do tego stopnia, że nawet konkurujący giganci, tacy jak IBM i Siemens , musieli łączyć swoje inwestycje, aby nadążyć.
Rentowność maszyn nowej generacji zależy co najmniej od niepewnej przyszłości (wielu użytkowników komputerów PC, na przykład, zaczyna traktować jako priorytetowe kryterium wyboru już nie prędkość komputera, ale poziom hałasu ) i może być tak, że w tych warunkach jest to decyzja ekonomiczna, a nie fizyczny krok, który kładzie kres prawu Moore'a.
Coraz potężniejsze maszyny udostępniane programistom mają przewrotne skutki. W czasach „powolnych” procesorów w latach 80. i 90. programiści poświęcali dużo czasu na optymalizację programów, a każda linia kodu, którą można było zaoszczędzić, oszczędzała cykle zegara, a zatem szybko się zwiększała. Obecne komputery zapewniają komfort pracy, co wpływa na zmniejszenie czujności programistów. Ponadto ograniczenia ekonomiczne zmuszają nas do pośpiechu, a czas spędzony poprzednio na optymalizacji kodu został poświęcony. Tak więc dzisiaj mamy do czynienia z paradoksem: komputery są coraz szybsze, ale oprogramowanie coraz cięższe i wolniejsze (patrz prawo Wirtha ).
Wreszcie użytkownik nie ma poczucia rzeczywistego wzrostu szybkości, zwłaszcza w przypadku podstawowych zadań, takich jak przetwarzanie tekstu . Wielu użytkowników żałuje nawet bardziej „rustykalnych” komputerów które pozbawione wszystkich gadżetów, którymi dzisiaj obciążane są systemy, mogłoby się okazać bardziej wydajne pod względem produktywności .
Inny czynnik niewątpliwie lepiej wyjaśnia brak wrażenia postępu: inne komponenty komputerów niekoniecznie ewoluowały tak szybko. W nowoczesnym komputerze z mechanicznymi dyskami twardymi to właśnie one są czynnikiem ograniczającym wrażenia użytkownika. Komputer jest systemem jak łańcuch: najwolniejszy element decyduje o szybkości całości. Dodanie pamięci RAM lub instalacja pamięci SSD w przestarzałym lub low-endowym systemie pozwala na zyskanie na reaktywności (uruchamianie maszyny, uruchamianie programów, zatrzymywanie), często bardziej docenianym przez użytkownika niż zwiększona prędkość procesora.
Prawo Moore'a może również mieć znaczenie ekonomiczne w kontrolowaniu popytu poprzez dystrybucję podaży destylowanej. W rzeczywistości miniaturyzacja postępuje w zasadzie dzięki okazjonalnym odkryciom i optymalizacjom, rzeczywistości, która prawie nie odpowiada regularności wykładniczej ewolucji określonej przez prawo Moore'a. Kontrolując dyfuzję nowych zastosowań technologicznych w czasie, możliwe jest, że sami giganci półprzewodnikowi określą stabilny model konsumpcji , iw ten sposób zapewnić zgodność między ich wysiłkami w zakresie innowacji a pragnieniami odnowienia klientów. Samoograniczające się dostawy zobowiązywałyby zatem konsumentów do regularnej aktualizacji sprzętu. Aby takie samoograniczenie podaży było skuteczne, konieczne byłoby jednak, aby mogło opierać się na silnej kartelizacji rynku.
W tym przypadku dość powszechne w historii kapitalizmu , że prawa rynku będzie sprzyjać umiar innowacji, aby zapewnić czynsz do całości danego sektora
Prawo Moore'a okazała się zaskakująco dokładne aż do początku XXI -go wieku.
W 1999 r. Tak zwany „ostateczny” tranzystor CMOS opracowany w CEA-Leti w Grenoble przesunął zasadę działania tranzystora MOSFET do granic jej „granic” z przekrojem 18 nanometrów (wymiar około 70 atomów umieszczonych obok siebie), tj. siedem razy mniejszy od najmniejszego tranzystora przemysłowego z 2002 r. (123 nm w 2002 r., 83 nm w 2003 r., 65 nm w 2005 r., 45 nm w 2008 r., 32 nm w 2010 r., 22 nm w 2012 r., 14 nm w 2016 r., 7 nm w 2019). Pozwoliło to na teoretyczny stopień integracji siedmiu miliardów połączeń na monecie o nominale 1 euro. Ale to był tylko prosty eksperyment badawczy mający na celu zbadanie, jak działają techniki CMOS , gdy zbliżają się do wielkości cząsteczek.
Koszt techniki umożliwiającej produkcję chipów zawierających coraz więcej tranzystorów rośnie w oszałamiających proporcjach. Inna praktyczna zasada z Doliny Krzemowej , Rock's Law , mówi, że koszt produkcji odlewni wiórów podwaja się co cztery lata, ponieważ proces produkcyjny stosowany od czterdziestu lat, fotolitografia , coraz bardziej zbliża się do swoich fizycznych ograniczeń. I tak w 2004 roku Intel ogłosił inwestycję w wysokości ponad dwóch miliardów dolarów w swoim zakładzie Fab12 w Arizonie na produkcję chipów z wafli o średnicy 300 mm , które pod koniec 2005 roku zastąpiły wafle 200 mm .
Do produkcji coraz mniejszych tranzystorów wykorzystuje się promieniowanie o coraz krótszych falach, a wyścig miniaturyzacji doprowadzi do fotolitografii w coraz ostrzejszym widmie rentgenowskim (promieniowanie UV, a następnie promieniowanie rentgenowskie itp.). Jednak w tym zakresie długości fal skuteczna koncentracja promieni staje się trudna, jeśli nie niemożliwa. W połowie 1990 roku uznano , że nie jest w stanie wyprodukować przemysłowo tranzystorów o przekroju poniżej 400 atomów (100 nm ) w takim procesie. W przemyśle krzemowym granica ta nazywana jest „ ścianą ”.
Uważa się, że w 2021 r.Prawo Moore'a zbliża się do swojego limitu. Do tego czasu liczba tranzystorów mikroprocesorowych rosła, ponieważ są one coraz mniejsze dzięki zwiększaniu dokładności grawerowania, ale nie będą w stanie spaść poniżej określonej wartości. Aby nadal zwiększać liczbę tranzystorów na tej samej powierzchni, przewiduje się pionową konstrukcję chipów 3D. Tranzystory nie będą mniejsze, ale ich liczba wzrośnie, jakby ich rozmiar został zmniejszony.
Niektórzy komentatorzy kwestionują znaczenie prawa Moore'a dla zrównoważonego rozwoju :
Nowe potrzeby ( „ekologiczne” komputery , redukcja rozmiarów komputerów z netbookami i tabletami itp.) Są wyrażane mniej w milionach tranzystorów na mm² niż w przeliczeniu na zużytą energię.
Ponadto interesujące jest skrócenie czasu przetwarzania zadania interaktywnego z 20 sekund do 2 sekund, a następnie do 200 ms . Następnie obniżenie go do 20 ms niekoniecznie niczego dodaje, a już na pewno nic, jeśli to zadanie jest izolowane. Podczas gdy potrzeby przemysłowe wymagają coraz większej mocy, to samo nie dotyczy w nieskończoność potrzeb jednostek.
Pojawiają się potrzeby interesariuszy biznesowych, którzy domagają się uwzględnienia środowiskowych i społecznych skutków ich działalności w zakresie zrównoważonego rozwoju .
Raport informacyjny francuskiego Senatu dotyczący nowych technologii informacyjnych wymienia prawo Moore'a jako główne przyspieszenie techniczne ostatnich dziesięcioleci. Raport ten podkreśla potrzebę zdefiniowania systemu wartości w nowym społeczeństwie informacyjnym, w którym unika się scjentyzmu .
W tym kontekście musimy ocenić wydajność na wat .
Lista Green500 szeregach TOP500 listy superkomputerów pod względem efektywności energetycznej . Jest to mierzone w FLOPS na wat .
Producent IT Bull porzucił Prawo Moore'a w jego celów, a teraz zachowuje stosunek wydajność / energii w swoich Green IT planów .
Niektórzy producenci, tacy jak ARM, wprowadzają procesory, które nie starają się już przestrzegać prawa Moore'a. Jej procesory 2009 czasami 100.000 tranzystorów, co stanowi mniej niż Intel 286 12 MHz procesor z 1982 roku , ale tylko konsumować ćwierć wata , wyposażanie w 2009 roku kilkanaście modeli netbooków z systemem Linux lub innych. Systemów operacyjnych .
Utworzenie w 2007 roku Climate Savers Computing Initiative , która postawiła sobie za cel zmniejszenie o połowę zużycia energii przez komputery, prawdopodobnie podpisało wyrok śmierci na podstawie prawa Moore'a.
Kiedy prawo Moore'a osiągnie swoje granice, zmiana paradygmatu będzie polegała na przejściu od mikroelektroniki do nanotechnologii , czyli zestawu radykalnie różnych technik, komplementarnych lub konkurencyjnych, takich jak zastosowanie nanorurek w tranzystorach molekularnych, komputerach DNA , obliczenia kwantowe ... Technologie powszechnie zgrupowane pod pojęciem „ nanokomputerów ”, które w szczególności wprowadzają wszechobecne systemy i wszechobecną technologię obliczeniową.
Na forum deweloperów Intel wwrzesień 2007Gordon Moore przewidział, że jego prawo podwajania liczby tranzystorów w chipie co dwa lata nie będzie obowiązywać za dziesięć do piętnastu lat. Rzeczywiście, branża coraz bardziej zbliża się do fizycznych ograniczeń mikroelektroniki, gdzie tranzystory będą składać się tylko z kilku atomów i będą izolować je od siebie. Branża będzie wtedy musiała poszukać całkowicie nowych metod, takich jak układanie tranzystorów w stosy w trzech wymiarach.
W luty 2016, koniec prawa Moore'a jest ogłaszany przez International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), który oficjalnie popiera odejście od tego prawa, tempo po prostu nie jest już do utrzymania. Z tej okazji ITRS zmienia nazwę i strategię, teraz nazywa się International Roadmap for Devices and Systems . Nowa mapa drogowa nosi tytuł Więcej niż Moore w odniesieniu do porzucenia strategii More Moore , która pozwoliła na ustalenie inwestycji branżowych na poziomie, który pozwolił zachować prawo Moore'a.
(Wskazane przez Gordona Bella w jego prezentacji „ Prawa komputerowe ”)
Zgodnie z prawem Moore'a:
Chociaż prawo Moore'a jest bardzo spektakularne, nie powinno przesłaniać innych osiągnięć, które czasami są od niego lepsze: