Moores lov: Definition, historie og betydning for transistorer
Moores lov: historie og betydning for transistorer — fra Gordon Moores forudsigelse til moderne halvlederudvikling, eksponentiel vækst og fremtidens udfordringer.
Moore's lov siger, at antallet af transistorer i integrerede kredsløb fordobles ca. hvert andet år. Intel-direktør David House sagde, at perioden var "18 måneder". Han formulerede denne periode som en fordobling af chipydelsen — en kombination af effekten af flere transistorer og deres hurtigere hastighed — mens Gordon Moores oprindelige observation handlede om antallet af komponenter.
Hvad Moore egentlig sagde
Moore, medstifter af Intel, beskrev i sin artikel fra 1965 en empirisk tendens: antallet af komponenter i integrerede kredsløb var vokset eksponentielt og var fordoblet hvert år fra opfindelsen af det integrerede kredsløb i 1958 til 1965. Han forudsagde, at denne udvikling ville fortsætte "i mindst ti år". Senere justerede Moore (og branchen) dette til omtrent en fordobling hvert andet år. David House fra Intel populariserede 18-måneders-udtrykket for at beskrive forbedring i ydelse, ikke kun i transistorantal.
Betydning for transistorer og teknologi
Moores lov er ikke en fysisk lov, men en empirisk observation og et industriel mål, som har ført til systematisk forbedring af:
- Transistorstørrelse og tæthed — fremdrift i litografi og procesudvikling har gjort det muligt at placere flere transistorer pr. arealenhed.
- Ydelse — flere transistorer har muliggjort hurtigere processorer, større hukommelseskapacitet og bedre specialiserede enheder.
- Pris pr. transistor — historisk faldt omkostningen pr. transistor, hvilket gjorde det økonomisk muligt at indbygge avanceret elektronik i forbrugervarer.
Mange digitale elektroniske enheders kapacitet er stærkt forbundet med Moores lov: behandlingshastighed, hukommelseskapacitet, sensorer og selv antallet og størrelsen af pixels i digitale kameraer. Alle disse forbedres også med (omtrent) eksponentielle hastigheder, hvilket har haft vidtrækkende økonomiske og sociale konsekvenser.
Historisk og industriel rolle
Moores lov har fungeret som en styringsmekanisme i halvlederindustrien: virksomheder og offentlige forskningsprogrammer bruger den til langsigtet planlægning, investering i værktøjer og til at sætte mål for forskning og udvikling. Internationale initiativer som ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) blev delvist organiseret omkring forventningerne til den fortsatte skaleringshastighed.
Fysiske og økonomiske begrænsninger
Selvom tendensen fortsatte i mere end et halvt århundrede, er der både fysiske og økonomiske grænser, der gør fortsat skalering vanskeligere:
- Dennard-skaleringens ophør: Den antagelse, at strømforbrug pr. enhed areal forblev lav ved mindre geometrier, brød sammen omkring midten af 2000'erne. Det førte til, at man i stedet for at øge frekvenser begyndte at introducere flere kerner (multicore).
- Termiske og strømbegrænsninger: Større tæthed betyder mere varme på samme areal, hvilket kræver nye materialer og køleløsninger.
- Fabrikationsomkostninger: Udvikling af nye node-teknologier og avanceret litografi (fx EUV) er ekstremt dyrt, hvilket øger barriererne for mindre producenter.
- Fysikkens grænser: Når dimensioner nærmer sig atomskalnivå, bliver kvanteeffekter og variationer i fremstillingsprocessen udfordringer.
Intel erklærede i 2015, at tempoet i udviklingen var blevet langsommere — Brian Krzanich sagde, at "vores kadence i dag er tættere på to og et halvt år end to". Dette afspejler både tekniske udfordringer og de stigende omkostninger ved at bevare den tidligere takt.
Hvordan industrien reagerer
Branchen har svaret på udfordringerne ved at diversificere strategierne for fortsat forbedring:
- Arkitektoniske ændringer: multicore, specialiserede acceleratorer (f.eks. til AI), og domænespecifikke designs.
- Avanceret transistorarkitektur: FinFET, gate-all-around, nye dielektrika og materialer.
- 3D-integration og avanceret pakning: stabling af chips og chiplets for at øge funktionalitet uden udelukkende at stole på planar skalering.
- Fokus på More than Moore: funktionaliteter som sensorer, analoge komponenter og trådløs kommunikation integreres uden nødvendigvis at følge transistor-doblingstakten.
Fremtiden for Moore's lov
Moores lov som streng forudsigelse er svær at opretholde i sin oprindelige form, men dens rolle som en drivkraft for innovation fortsætter. Mange eksperter ser en kombination af fortsat node-skæring (med højere omkostninger), nye materialer, 3D-teknologier og arkitektoniske innovationer som vejen frem. Derudover leder forskning inden for alternative computing-paradigmer — kvanteberegning, neuromorfe kredsløb og specialiserede acceleratorer — til nye måder at øge beregningskraften på, selvom disse ikke nødvendigvis følger samme eksponentielle kurve.
Konsekvenser for samfund og økonomi
Denne eksponentielle forbedring har i høj grad øget digital elektronik's betydning for verdensøkonomien. Billigere og kraftigere elektronik har muliggjort udbredelsen af personlige computere, mobiltelefoner, internetinfrastruktur, cloud-tjenester, kunstig intelligens og IoT-enheder. Moores lov beskriver dermed en væsentlig drivkraft for teknologiske og sociale forandringer i slutningen af det 20. og begyndelsen af det 21. århundrede.
Kort sagt: Moore's lov begyndte som en nøjagtig empirisk observation om væksten i antallet af komponenter på integrerede kredsløb. Over tid blev den en forventning og planlægningsvejledning for industrien. Fysiske og økonomiske begrænsninger har bremset den oprindelige hastighed, men lovens ånd — jagten på hurtigere, billigere og mere kapabel elektronik — lever videre gennem nye teknologier og arkitekturer.
Plot af CPU-transistorer i forhold til datoer for indførelse. Den lodrette skala er semilogaritmisk; linjen svarer til eksponentiel vækst med en fordobling af transistortallet hvert andet år.
En bærbar Osborne-computer fra 1982 og en Apple iPhone fra 2007. Osborne Executive-computeren vejer 100 gange så meget, er næsten 500 gange så stor i volumen, koster ca. 10 gange så meget (justeret for inflation) og har 1/100 af telefonens clockfrekvens.
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er Moores lov?
Svar: Moores lov siger, at antallet af transistorer i integrerede kredsløb fordobles ca. hvert andet år.
Spørgsmål: Hvem forudsagde denne periode for en fordobling af chipydelsen?
Svar: Intel-direktør David House forudsagde denne periode for en fordobling af chipydelsen.
Spørgsmål: Hvornår blev tendensen beskrevet første gang?
A: Tendensen blev første gang beskrevet af medstifteren af Intel, Gordon Moore, i sin artikel fra 1965.
Spørgsmål: Hvor nøjagtig har forudsigelsen været?
A: Forudsigelsen har vist sig at være meget præcis, og den er blevet brugt til at styre den langsigtede planlægning og sætte mål for forskning og udvikling inden for halvlederindustrien.
Spørgsmål: Hvad er nogle af virkningerne af digital elektronik som følge af Moores lov?
A: På grund af Moores lov er behandlingshastigheden, hukommelseskapaciteten, sensorerne og selv antallet og størrelsen af pixels i digitale kameraer blevet forbedret eksponentielt, hvilket i høj grad har øget virkningen af digital elektronik i verdensøkonomien.
Spørgsmål: Hvor længe har denne tendens stået på indtil nu?
A: Denne udvikling har stået på i mere end et halvt århundrede.
Spørgsmål: Er der for nylig sket nogen ændring med hensyn til, hvor ofte komponenter fordobles på integrerede kredsløb ?
A: Ja - I 2015 erklærede Intel, at tempoet i udviklingen var blevet langsommere, og administrerende direktør Brian Krzanich meddelte, at "vores kadence i dag er tættere på to og et halvt år end to".
Søge