oldi

Юбилей закона Мура

Сергей Пахомов

Что дальше?

 

Любопытные факты и цифры

 

В апреле 1965 года, примерно за три с половиной года до создания корпорации Intel, Гордон Мур, занимавший в ту пору должность директора отдела разработок компании Fairchild Semiconductors, опубликовал в журнале Electronics статью с прогнозом развития микроэлектроники, который вскоре назвали законом Мура.
19 апреля закону Мура исполняется 40 лет, и все эти годы он остается безусловным правилом для всей индустрии информационных технологий.

Все началось в апреле 1965 года, то есть всего через шесть лет после изобретения первой интегральной схемы (ИС) и за три с половиной года до создания корпорации Intel.

40 лет назад микроэлектроника пребывала в зачаточном состоянии. В то далекое время технология производства интегральных микросхем позволяла соединять в одной микросхеме порядка трех десятков транзисторов, а группа ученых, возглавляемая Гордоном Муром, директором исследовательской лаборатории полупроводников корпорации Fairchild Camera and Instrument Corp (Research and Development Laboratories, Fairchild Semiconductor division of Fairchild Camera and Instrument Corp), завершала разработку новых микросхем, состоящих уже из 64 транзисторов. Конечно, по сегодняшним меркам, когда в одной микросхеме насчитывается несколько десятков миллионов транзисторов, эта цифра кажется ничтожно малой, но не будем забывать, что речь идет об эпохе становления интегральной электроники.

 

Гордон Мур

Гордон Мур

По просьбе журнала Electronics Гордон Мур написал статью, приуроченную к 35-й годовщине издания (Electronics. Vol. 38. № 8. Apr. 19. 1965). В этой статье Мура попросили сделать прогноз относительно того, как будут развиваться полупроводниковые устройства в течение ближайших десяти лет. Проанализировав темпы развития полупроводниковых устройств и экономические факторы за прошедшие шесть лет, то есть начиная с 1959 года, Гордон Мур предположил, что к 1975 году количество транзисторов в одной интегральной микросхеме составит 65 тыс. Именно этот прогноз на ближайшие десять лет стал преамбулой ко всей статье.

Фактически по прогнозу Мура количество транзисторов в одной микросхеме за десять лет должно было увеличиться более чем в тысячу раз. В то же время это означало, что каждый год количество транзисторов в одной микросхеме должно удваиваться.

Кроме предсказания экспоненциального роста плотности размещения транзисторов, Мур сделал и другой важный и на первый взгляд парадоксальный вывод: сокращение размеров транзисторов должно неизбежно привести к тому, что интегральные микросхемы на их основе будут становиться все более дешевыми, мощными и доступными, а их производство — все более массовым.

Конечно, в 1965 году ни сам Гордон Мур, ни кто-либо другой не мог предположить, что опубликованный прогноз на ближайшие десять лет не только в точности сбудется, но и послужит основой для формулирования эмпирического правила развития всей полупроводниковой технологии на много лет вперед.

По своей сути закон Мура является не законом природы, а скорее эмпирическим правилом.

К 1975 году рост количества элементов в одной микросхеме стал немного отставать от прогноза. Тогда Гордон Мур, выступая на конференции «International Electron Devices Meeting», внес в него коррективы, высказав предположение, что при производстве все более сложных чипов удвоение числа транзисторов будет происходить каждые два года. И опять он оказался прав, за исключением того, что в последние годы количество транзисторов на микропроцессоре порой удваивается с интервалом в полтора года.

В конце 1980-х годов одним из руководителей корпорации Intel была внесена еще одна поправка, согласно которой прогноз Мура давал на удвоение вычислительной производительности 18 месяцев (вычислительная производительность, измеряемая в миллионах команд в секунду (MIPS), увеличивается благодаря росту количества транзисторов).

До сих пор мы преднамеренно употребляли в основном термин «прогноз» или «предсказание» Мура. Однако в литературе чаще встречается выражение «закон Мура». Дело в том, что после опубликования упомянутой статьи в журнале Electronics профессор Карвер Мид, коллега Мура из Калифорнийского технологического института, дал этому прогнозу название «закон Мура» и оно прижилось.

В настоящее время термин «закон Мура» применяется также для описания следствий экспоненциального возрастания плотности размещения транзисторов в пределах одной микросхемы.

 

Фрагмент листка, на котором был сформулирован закон Мура

Фрагмент листка, на котором был сформулирован закон Мура

Почему столь простая формулировка закона развития микроэлектроники вот уже сорок лет на все лады цитируется во всем мире, став своеобразным фетишем для тех, кто работает на рынке информационных технологий? И почему закон Мура стал настолько универсальным, что его без колебаний применяют при прогнозировании роста Интернета и пропускной способности каналов связи, для предсказания увеличения емкости жестких дисков и многого другого?

     

Любопытные факты и цифры

  • В 2003 году Гордон Мур подсчитал, что количество транзисторов, ежегодно поставляемых на рынок, достигло 10 000 000 000 000 000 000 (1019).
  • Разрабатываемый сейчас в Intel метод производства микропроцессоров предусматривает, что расстояние между транзисторами на чипе должно составлять одну десятитысячную толщины человеческого волоса. Это равносильно тому, чтобы провести автомобиль по прямой длиной в 650 км с отклонением от оси менее 2,5 см.
  • В 1978 году авиабилет по маршруту Нью-Йорк — Париж стоил около 900 долл., а перелет длился около 7 часов. Если бы авиаиндустрия развивалась в соответствии с законом Мура, то сегодня авиабилет на тот же маршрут стоил бы менее цента, а перелет занял бы менее одной секунды.
  • За время существования корпорации Intel (то есть с 1968 года) себестоимость производства транзисторов упала до такой степени, что теперь обходится примерно во столько же, сколько стоит напечатать любой типографский знак, например запятую.
  • В процессе разработки микропроцессоров, содержащих миллиард транзисторов, Intel уменьшила величину транзисторов до такой степени, что теперь на булавочной головке могут разместиться 200 млн. транзисторов.
  • Современные транзисторы производства корпорации Intel открываются и закрываются со скоростью 1,5 триллиона раз в секунду. Чтобы включить и выключить электрический выключатель 1,5 триллиона раз, человеку потребовалось бы 25 тыс. лет.
 

Происходит все это прежде всего потому, что закон Мура в доступной пониманию каждого форме определяет фантастические, не доступные ни одной другой отрасли темпы развития полупроводниковой индустрии. На ее стремительном росте сегодня зиждется вся мировая экономика, которая уже просто немыслима без разного рода компьютеров. Некоторые аналитики даже предсказывают, что «конец эпохи закона Мура» приведет к новой великой депрессии, до самых основ потрясшей американскую экономику в 30-е годы прошлого века. Так или иначе, обнаруживая действие закона Мура во все новых сферах высоких технологий, мы лишний раз убеждаемся в том, что имеет место постоянный, очень быстрый прогресс технологий, а значит, и всей мировой экономики.

 

Рост числа транзисторов в микропроцессорах компании Intel

Рост числа транзисторов в микропроцессорах компании Intel

В начало В начало

Что дальше?

Первоначально закон Мура представлял собой простое наблюдение за тем, как развивается индустрия микропроцессоров, этакий эмпирический постулат. Однако через несколько лет он стал руководящим принципом развития для всей отрасли, а теперь иначе как законом его никто и не называет. Однако, несмотря на то что закон Мура оправдывает себя вот уже почти сорок лет, многие довольно скептически относятся к тому, что он будет действовать и в дальнейшем.

С приводимыми ими доводами трудно не согласиться. Действительно, уже сейчас микросхемы производятся по 90-нанометровому технологическому процессу. Но ведь не может же уменьшение размеров транзисторов происходить до бесконечности, хотя бы в силу дискретности самой природы! Что будет, когда размеры затворов транзисторов достигнут атомарных слоев? Вопрос, конечно, интересный, но ответить на него в ближайшее десятилетие вряд ли кто-нибудь сможет. Да и до атомарных размеров транзисторов еще далеко. Если же говорить о перспективе дальнейшего совершенствования полупроводниковой электроники в соответствии с законом Мура на ближайшие лет тридцать, то можно утверждать, что предсказанное Муром экспоненциальное возрастание числа транзисторов на одной микросхеме сохранится.

На весеннем Форуме Intel для разработчиков 2002 года главный технический директор корпорации Intel Патрик Гелсингер поделился своими соображениями относительно закона Мура: «Честно говоря, я часто спрашивал себя, когда же закончится действие закона Мура? Сколько мы еще сможем им пользоваться? В 1980 году, когда я пришел в Intel, мы ломали головы над тем, как достичь технологической нормы производства микропроцессоров в один микрон. В 90-е годы перед нами уже стояла задача внедрить технологическую норму в одну десятую микрона, и опять она казалась нам недостижимой. А сегодня мы думаем о том, как преодолеть барьер в одну сотую микрона. Могу пообещать вам, что до моей пенсии (то есть в течение последующей четверти века) закон Мура будет действовать. Я уверен, что еще не одно десятилетие он будет руководящим принципом развития отрасли».

«Закон Мура — основной лейтмотив нашей деятельности в области конвергенции вычислительных и коммуникационных возможностей, — заявил глава корпорации Intel Крейг Барретт, открывая весенний Форум Intel для разработчиков IDF 2005. — Приверженность корпорации Intel закону Мура позволяет нам создавать интегрированные платформы, которые предоставляют широкий диапазон возможностей для отдельных людей и организаций, использующих эти технологии. Для эффективной реализации всего потенциала новых возможностей все большее значение приобретают процесс внедрения инноваций и общеотраслевое сотрудничество». Паоло Джарджини, директор по технологической стратегии корпорации Intel, в своем выступлении на последнем IDF подтвердил, что закон Мура продолжает действовать и что в полном соответствии с ним корпорация Intel продолжает вводить новые технологические процессы каждые два года. Залогом успешной деятельности Intel на этом направлении служат ежегодные многомиллиардные вложения корпорации в научно-исследовательские разработки, постоянную модернизацию и расширение своих производственных мощностей. Достаточно сказать, что в 2005 году Intel планирует израсходовать на эти цели более 10 млрд. долл.

В 2005 году начнется производство чипов по технологии 65 нанометров, на 2007-й намечен переход на 45-нанометровый процесс, на 2009 год — внедрение 32-нанометрового, а в 2011 году настанет черед технологического процесса 22 нм. Как подчеркнул Паоло Джарджини, в корпорации Intel уже имеются конкретные научно-технические разработки, которые позволяют реализовать все эти планы.

Тогда же Паоло Джарджини заявил, что вплоть до 2020 года Intel cможет создавать транзисторы по современной схеме работы — с электродами и затвором между ними. К тому времени, однако, размеры всех элементов транзистора достигнут атомарных размеров, и уменьшать их дальше будет просто невозможно. Следовательно, уже сейчас необходимо искать новые технологии. Одна из них — организация передачи сигнала на уровне элементарных частиц путем спиновых волн.

Еще один вариант — углеродные и кремниевые нанотрубки. Транзисторы, изготовленные из таких материалов, имеют сопоставимые размеры. Диаметр углеродных нанотрубок — 1-2 нм, но в экспериментальных транзисторах исток и сток расположены по их длине, что позволяет повысить быстродействие и уменьшить потребляемую энергию, однако размер при этом не уменьшается.

«Экзотические структуры, такие как углеродные нанотрубки, могут найти применение в технологии КМОП (комплементарные металл-оксидные полупроводники) не столько для ускорения темпов миниатюризации, сколько для повышения производительности устройств или, возможно, упрощения их изготовления, — пишет Джарджини. — Даже если для цифровой логики будет изобретено принципиально иное средство перемещения электронов, возможности его масштабирования для повышения плотности и производительности не зайдут много дальше пределов, достижимых технологией КМОП, главным образом из-за ограничений, налагаемых требованием отвода тепла».

И наконец, последнее — изготовление чипов больших размеров за счет наращивания их площади или построения трехмерных многослойных микросхем. Такие решения предлагал сам Гордон Мур, а также профессор Стэнфордского университета Том Ли и некоторые другие исследователи. Каким путем пойдет дальнейшее развитие полупроводников — покажет время.

Так или иначе, практическая деятельность Intel не только продлевает жизнь закону Мура, но и распространяет его действие на самые разные сферы. Микропроцессоры становятся буквально вездесущими, а достижения высоких технологий — максимально демократичными, поскольку наравне с традиционными нишами Intel предлагает использовать их и в совершенно новых областях: в беспроводных технологиях, сенсорах и сенсорных сетях, а также в оптических технологиях. Так что, по мнению руководства Intel, все только начинается...

Вот уже 40 лет развитие микроэлектроники является главной движущей силой всемирной технологической революции, что привело к радикальным позитивным переменам в жизни миллиардов людей. Закон Мура открывает новый, удивительно увлекательный и разнообразный цифровой мир. Будущее уже наступило, и осталось лишь научиться жить в нем.

КомпьютерПресс 5'2005