Законът на Мур — определение, история и влияние върху полупроводниците

Законът на Мур: история, как растящият брой транзистори промени полупроводниците, чиповете и икономиката — анализ на тенденции, прогнози и глобално влияние.

Според закона на Мур броят на транзисторите в интегралните схеми се удвоява приблизително на всеки две години. Изпълнителният директор на Intel Дейвид Хаус заяви, че този период е "18 месеца". Той прогнозира този период за удвояване на производителността на чиповете: комбинация от ефекта на повече транзистори и това, че те са по-бързи.

Законът е кръстен на съоснователя на Intel Гордън Мур, който описва тенденцията в своя статия от 1965 г. В статията се посочва, че броят на компонентите в интегралните схеми се е удвоявал всяка година от изобретяването на интегралната схема през 1958 г. до 1965 г., и се прогнозира, че тази тенденция ще продължи "поне десет години". Прогнозата му се оказа много точна. Законът се използва в полупроводниковата индустрия за насочване на дългосрочното планиране и за определяне на цели за научноизследователска и развойна дейност.

Важно е да се подчертае, че Законът на Мур не е физичен закон, а емпирично наблюдение и прогноза за темпа на развитие на интегралните схеми. Той служи като ориентир за инженери, инвеститори и политици, показвайки очакван темп на подобрение на плътността на транзисторите, разходите и (в исторически план) производителността.

В основата на това експоненциално нарастване стоят няколко технически и инженерни фактора:

• миниатюризация на структурите в полупроводниковите кристали чрез усъвършенствана литография и процеси за производство,
• подобрения в дизайна на транзисторите и преход към нови архитектури (напр. от планарни транзистори към FinFET и други 3D-структури),
• иновативни материали (високо-k изолации, метални врати и др.),
• оптимизации на вериги и пакетирането, които позволяват по-висока честота и по-ниска консумация на енергия.

До началото на XXI век тези подобрения доведоха до бърз ръст в способностите на цифровите устройства: по-висока скорост на обработка, по-голям капацитет на паметта, по-малки и по-плътни пиксели в цифровите фотоапарати и др. Всички тези характеристики също следваха (приблизително) експоненциални криви, което ускорено промени икономиката и обществото през края на XX и началото на XXI век.

Едно важно допълнение е т.нар. Dennard scaling (1974 г.), което гласи, че при пропорционално намаляване на размерите на транзисторите и напреженията, плътността на мощността остава приблизително постоянна. Когато това правило започна да се проваля в средата на 2000-те (поради ограничения във волтажите и нарастващи загуби от т.нар. leakage), индустрията се ориентира към нови подходи като мултикорни дизайни и енергийно ефективни ускорители вместо просто увеличаване на тактовите честоти.

Ограниченията за продължаване на класическата експоненциална тенденция са както технически, така и икономически:

• физични граници (квантови тунели, шум и вариабилност при размери от порядъка на няколко нанометра),
• термични проблеми и управление на топлината при по-големи плътности на транзистори,
• растящи разходи за фабрики и оборудване (напр. за EUV литография), което прави развитието по-скъпо и по-рисково,
• сложност в дизайна и верифицирането на многоядрени и хетерогенни системи.

Поради тези фактори темпът на напредък започна да се забавя. Тази тенденция се запазва вече повече от половин век. През 2015 г. Intel заяви, че темпът на развитие се е забавил. Брайън Крзанич, главен изпълнителен директор на Intel, обяви, че "нашият каданс днес е по-близо до две години и половина, отколкото до две".

Отговорът на индустрията включва няколко паралелни направления:

• архитектурни промени — повече ядра, по-специализирани ускорители (ASIC, FPGA, NPU) за специфични задачи като машинно обучение;
• сложни пакети и интеграция — 3D-стакване на чипове, интеграция на различни кристали (chiplets) в един пакет за по-добро комбиниране на функция и производителност;
• напреднали производствени технологии — внедряване на EUV литография, нови материали и транзисторни структури, които да позволят допълнително увеличаване на плътността;
• фокус върху енергийната ефективност и специализацията пред универсалната висока тактова честота.

Влиянието на Закона на Мур е обхватно и многопластово:

• технологично — ускорено развитие на компютърните и комуникационните платформи, което подкрепя растежа на интернет, мобилните устройства и облачните услуги,
• икономическо — създаване на индустрии и нови бизнес модели, намаляване на разходите за изчислителна мощност,
• социално — промени в начина на работа, обучение, забавление и комуникация поради достъпността на мощни цифрови инструменти,
• екологично — нарастващ въпрос за енергийната и ресурсната ефективност при масово разрастване на центровете за данни и потребителската електроника.

Каква е перспективата напред? Дори при забавяне на традиционния темп на удвояване, иновациите не спират. Развиват се подходи извън класическия CMOS — квантови и спинови технологии, фотонни чипове, невроморфни системи — както и методи за по-добра интеграция и специализация. Много експерти смятат, че бъдещето ще бъде хетерогенно: не един единствен "Закон на Мур", а комбинация от скалиращи технологии, архитектурни оптимизации и софтуерни подобрения, които заедно ще продължат да повишават възможностите на електрониката.

В заключение: Законът на Мур остава мощна икона в историята на технологиите — първоначално като проста прогноза, а по-късно като рамка за планиране и иновации. Макар скоростта на нарастване да се забавя и самият "закон" да е по-скоро емпирична тенденция, наследството му — ускоряването на изчислителните възможности и промяната на обществото — продължава да се усеща широко.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява законът на Мур?

В: Кой предсказа този период за удвояване на производителността на чиповете?

В: Кога за първи път е описана тази тенденция?

В: Колко точна е била прогнозата?

Въпрос: Какви са някои от ефектите на цифровата електроника, дължащи се на закона на Мур?

Въпрос: Колко дълго продължава тази тенденция?

В: Има ли някаква промяна напоследък по отношение на това колко често се удвояват компонентите на интегралните схеми ?

Търсене по буква