Moores lov - Moore's law
| Halvleder enhed fabrikation |
|---|
 |
|
MOSFET -skalering ( procesnoder ) |
Moores lov er observationen af, at antallet af transistorer i et tæt integreret kredsløb (IC) fordobles cirka hvert andet år. Moores lov er en observation og fremskrivning af en historisk tendens. I stedet for en fysiklov er det et empirisk forhold, der er knyttet til gevinster fra erfaring med produktion.
Observationen er opkaldt efter Gordon Moore , medstifter af Fairchild Semiconductor og Intel (og tidligere administrerende direktør for sidstnævnte), der i 1965 udgjorde en fordobling hvert år i antallet af komponenter pr. Integreret kredsløb og anslog, at denne vækstrate ville fortsætte i mindst endnu et årti. I 1975, ser han frem til det næste årti, reviderede han prognosen til en fordobling hvert andet år, en sammensat årlig vækstrate (CAGR) på 41%. Mens Moore ikke brugte empiri til at forudsige, at den historiske tendens ville fortsætte, holdt hans forudsigelse siden 1975 og er siden blevet kendt som en "lov".
Moores forudsigelse er blevet brugt i halvlederindustrien til at vejlede langsigtet planlægning og til at opstille mål for forskning og udvikling og dermed i nogen grad fungere som en selvopfyldende profeti . Fremskridt inden for digital elektronik , såsom reduktion i kvalitetsjusterede mikroprocessorpriser , stigning i hukommelseskapacitet ( RAM og flash ), forbedring af sensorer og endda antal og størrelse af pixels i digitale kameraer , er stærkt knyttet til Moores lov . Disse trinændringer i digital elektronik har været en drivkraft for teknologiske og sociale ændringer, produktivitet og økonomisk vækst.
Brancheeksperter har ikke nået til enighed om, hvornår Moores lov ophører med at finde anvendelse. Mikroprocessorarkitekter rapporterer, at fremskridtet i halvleder har bremset hele industrien siden omkring 2010, under det tempo, der forudsiges i Moores lov. Imidlertid har ledende halvlederproducenter fra 2018 udviklet IC -fremstillingsprocesser i masseproduktion, der hævdes at holde trit med Moores lov.
Historie
I 1959 diskuterede Douglas Engelbart den forventede nedskalering af integreret kredsløb (IC) størrelse i artiklen "Microelectronics, and the Art of Similitude". Engelbart præsenterede sine ideer på 1960 International Solid-State Circuits Conference , hvor Moore var til stede blandt publikum.
Samme år opfandt Mohamed Atalla og Dawon Kahng MOSFET (metal-oxid-halvleder-felt-effekt-transistor), også kendt som MOS-transistoren, på Bell Labs . MOSFET var den første virkelig kompakte transistor, der kunne miniaturiseres og masseproduceres til en lang række anvendelser, med sin høje skalerbarhed og lave strømforbrug, hvilket resulterede i en højere transistortæthed og gjorde det muligt at bygge IC-chips med høj densitet . I begyndelsen af 1960'erne erkendte Gordon E. Moore , at de ideelle elektriske og skalerende egenskaber ved MOSFET -enheder ville føre til hurtigt stigende integrationsniveauer og enestående vækst i elektroniske applikationer.
I 1965 blev Gordon Moore, der på det tidspunkt arbejdede som direktør for forskning og udvikling hos Fairchild Semiconductor , bedt om at bidrage til det femogtredive års jubilæumsnummer af Electronics magazine med en forudsigelse om fremtiden for halvlederkomponentindustrien over næste ti år. Hans svar var en kort artikel med titlen "Propper flere komponenter ind på integrerede kredsløb". Inden for hans redaktion spekulerede han på, at det i 1975 ville være muligt at indeholde så mange som 65.000 komponenter på en enkelt kvart-kvadrat-tommer halvleder.
Kompleksiteten for minimale komponentomkostninger er steget med en hastighed på omtrent en faktor på to om året. Denne kurs kan bestemt forventes at fortsætte på kort sigt, hvis ikke den stiger. På længere sigt er stigningstakten lidt mere usikker, selvom der ikke er nogen grund til at tro, at den ikke vil forblive næsten konstant i mindst 10 år.
Moore udgjorde et log-lineært forhold mellem enhedens kompleksitet (højere kredsløbstæthed til reducerede omkostninger) og tid. I et interview fra 2015 bemærkede Moore om artiklen fra 1965: "... Jeg lavede bare en vild ekstrapolation og sagde, at det vil blive ved med at fordoble hvert år i de næste 10 år."
I 1974 anerkendte Robert H. Dennard hos IBM den hurtige MOSFET -skaleringsteknologi og formulerede det, der blev kendt som Dennard -skalering , som beskriver, at efterhånden som MOS -transistorer bliver mindre, forbliver deres effekttæthed konstant, således at strømforbruget forbliver i forhold til arealet. MOSFET -skalering og miniaturisering har været de vigtigste drivkræfter bag Moores lov. Beviser fra halvlederindustrien viser, at dette omvendte forhold mellem effekttæthed og arealtæthed brød sammen i midten af 2000'erne.
Ved IEEE International Electron Devices Meeting i 1975 reviderede Moore sin prognosefrekvens og forudsagde, at halvlederkompleksiteten fortsat ville fordobles årligt indtil omkring 1980, hvorefter den ville falde til en fordobling omkring hvert andet år. Han skitserede flere medvirkende faktorer for denne eksponentielle adfærd:
- Fremkomsten af metal -oxid -halvleder (MOS) teknologi
- Den eksponentielle stigningshastighed i matricestørrelser, kombineret med et fald i defekte tætheder, med det resultat, at halvlederproducenter kunne arbejde med større områder uden at miste reducerede udbytter
- Finere minimumsmål
- Hvad Moore kaldte "kredsløb og enhedens klogskab"
Kort efter 1975 populariserede Caltech -professor Carver Mead udtrykket "Moores lov". Moores lov blev til sidst bredt accepteret som et mål for halvlederindustrien, og den blev citeret af konkurrencedygtige halvlederproducenter, da de stræbte efter at øge processorkraften. Moore betragtede sin selvstændige lov som overraskende og optimistisk: "Moores lov er en overtrædelse af Murphys lov . Alt bliver bedre og bedre." Observationen blev endda set som en selvopfyldende profeti .
Fordoblingsperioden er ofte forkert citeret som 18 måneder på grund af en forudsigelse fra Moores kollega, Intel -chef David House. I 1975 bemærkede House, at Moores reviderede lov om fordobling af transistortællinger hvert andet år indebar, at computerchips ydeevne omtrent ville fordobles hver 18. måned (uden stigning i strømforbruget). Moores lov er tæt forbundet med MOSFET -skalering, da den hurtige skalering og miniaturisering af MOSFET'er er den vigtigste drivkraft bag Moores lov. Matematisk forudsagde Moores lov, at transistortallet ville fordobles hvert andet år på grund af krympende transistordimensioner og andre forbedringer. Som en konsekvens af krympende dimensioner forudsagde Dennard -skalering, at strømforbruget pr. Arealenhed ville forblive konstant. Ved at kombinere disse effekter udledte David House, at computerchips ydeevne omtrent ville blive fordoblet hver 18. måned. Også på grund af Dennard -skalering ville denne øgede ydeevne ikke ledsages af øget effekt, dvs. energieffektiviteten af siliciumbaserede computerchips fordobles omtrent hver 18. måned. Dennards skalering sluttede i 2000'erne. Koomey viste senere, at en lignende effektivitetsforbedring forud for siliciumchips og Moores lov for teknologier såsom vakuumrør.
.jpg)
Mikroprocessorarkitekter rapporterer, at fremskridt i halvleder siden omkring 2010 har bremset hele industrien under det tempo, som Moores lov forudsagde. Brian Krzanich , den tidligere administrerende direktør for Intel, nævnte Moores revision fra 1975 som en præcedens for den nuværende deceleration, som skyldes tekniske udfordringer og er "en naturlig del af Moores lovhistorie". Forbedringshastigheden i fysiske dimensioner kendt som Dennard-skalering sluttede også i midten af 2000'erne. Som et resultat heraf har meget af halvlederindustrien flyttet sit fokus til behovene i større computerprogrammer frem for halvleder skalering. Ikke desto mindre har førende halvlederproducenter TSMC og Samsung Electronics hævdet at holde trit med Moores lov med 10 nm og 7 nm noder i masseproduktion og 5 nm noder i risikoproduktion.
Moores anden lov
Da omkostningerne ved computerkraft til forbrugeren falder, følger omkostningerne for producenterne for at opfylde Moores lov en modsat tendens: F & U-, fremstillings- og testomkostninger er steget støt med hver ny generation chips. Stigende produktionsomkostninger er en vigtig overvejelse for at opretholde Moores lov. Dette havde ført til formuleringen af Moores anden lov , også kaldet Rocks lov, hvilket er, at kapitalomkostningerne ved en halvlederfabrik også stiger eksponentielt over tid.
Store aktiverende faktorer
Talrige innovationer fra forskere og ingeniører har opretholdt Moores lov siden begyndelsen af IC -æraen. Nogle af de vigtigste innovationer er angivet nedenfor som eksempler på gennembrud, der har avanceret teknologi til fremstilling af integrerede kredsløb og halvlederindretninger , hvilket gør det muligt for transistortællinger at vokse med mere end syv størrelsesordener på mindre end fem årtier.
- Integreret kredsløb (IC) - eksistensberettigelsen for Moores lov. Den germanium hybrid IC blev opfundet af Jack Kilby på Texas Instruments i 1958, efterfulgt af opfindelsen af silicium monolitiske IC chip af Robert Noyce på Fairchild Semiconductor i 1959.
- Metal-oxid-halvleder-felt-effekt-transistor (MOSFET) -Opfundet af Mohamed M. Atalla og Dawon Kahng på Bell Labs i 1959, det var den første transistor, der kunne miniaturiseres og masseproduceres på grund af dens høje skalerbarhed. -CMOS- processen blev opfundet af Chih-Tang Sah og Frank Wanlass på Fairchild Semiconductor i 1963.
- Dynamisk random-access memory ( DRAM ) -Bipolar DRAM blev udviklet af Toshiba i 1965, og derefter blev MOS DRAM uafhængigt udviklet af Robert H. Dennard hos IBM i 1967. MOS DRAM gjorde det muligt at fremstille single-transistor hukommelsesceller på IC-chips .
Computerindustriens teknologiske vejkort forudsagde i 2001, at Moores lov ville fortsætte i flere generationer af halvlederchips.
Seneste tendenser
En af de centrale udfordringer ved konstruktion af fremtidige nanoskala transistorer er design af porte. Når enhedsdimensionen krymper, bliver det vanskeligere at kontrollere strømmen i den tynde kanal. Moderne nanoskala transistorer har typisk form af multi-gate MOSFET'er , hvor FinFET er den mest almindelige nanoskala transistor. FinFET har gate -dielektrikum på tre sider af kanalen. Til sammenligning har gate-all-around MOSFET ( GAAFET ) -strukturen endnu bedre gate-kontrol.
- En gate-all-around MOSFET (GAAFET) blev første gang demonstreret i 1988 af et Toshiba- forskerteam ledet af Fujio Masuoka , der demonstrerede en lodret nanotråd GAAFET, som han kaldte en "surround gate transistor" (SGT). Masuoka, bedst kendt som opfinderen af flashhukommelse , forlod senere Toshiba og grundlagde Unisantis Electronics i 2004 for at forske i omegnende gate-teknologi sammen med Tohoku University .
- I 2006 udviklede et team koreanske forskere fra Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) og National Nano Fab Center en 3 nm transistor, verdens mindste nanoelektroniske enhed på et tidspunkt, baseret på FinFET -teknologi.
- I 2010 annoncerede forskere ved Tyndall National Institute i Cork, Irland en krydsfri transistor. En kontrolport, der er viklet omkring en silicium -nanotråd, kan styre elektroners passage uden brug af kryds eller doping. De hævder, at disse kan fremstilles i 10-nanometer skala ved hjælp af eksisterende fremstillingsteknikker.
- I 2011 annoncerede forskere ved University of Pittsburgh udviklingen af en enkelt-elektron transistor, 1,5 nanometer i diameter, lavet af oxidbaserede materialer. Tre "ledninger" konvergerer på en central "ø", der kan rumme en eller to elektroner. Elektroner tunnel fra en ledning til en anden gennem øen. Betingelser på den tredje ledning resulterer i tydelige ledende egenskaber, herunder transistorens evne til at fungere som en solid state -hukommelse. Nanotrådstransistorer kunne anspore til oprettelsen af mikroskopiske computere.
- I 2012 annoncerede et forskerhold ved University of New South Wales udviklingen af den første arbejdstransistor bestående af et enkelt atom placeret præcist i en siliciumkrystal (ikke bare plukket fra en stor prøve af tilfældige transistorer). Moores lov forudsagde, at denne milepæl ville nås for IC'er i laboratoriet i 2020.
- I 2015 demonstrerede IBM 7 nm nodechips med silicium-germanium- transistorer produceret ved hjælp af EUVL . Virksomheden mener, at denne transistortæthed ville være fire gange større end den nuværende 14 nm chips.
- Samsung og TSMC planlægger at fremstille 3 nm GAAFET -noder inden 2021–2022. Bemærk, at nodenavne, f.eks. 3 nm, ikke har noget at gøre med enhedens fysiske størrelse (transistorer).
- Et Toshiba- forskerhold, herunder T. Imoto, M. Matsui og C. Takubo, udviklede en "System Block Module" wafer bonding-proces til fremstilling af tredimensionelle integrerede kredsløb (3D IC) -pakker i 2001. I april 2007 introducerede Toshiba en otte- lag 3D IC, 16 GB THGAM indlejret NAND flash memory chip, som blev fremstillet med otte stablede 2 GB NAND flash chips. I september 2007 introducerede Hynix 24-lags 3D IC, en 16 GB flashhukommelseschip, der blev fremstillet med 24 stablede NAND-flashchips ved hjælp af en wafer bonding-proces.
- V-NAND , også kendt som 3D NAND, tillader flashhukommelsesceller at blive stablet lodret ved hjælp af ladetrap- flash- teknologi, der oprindeligt blev præsenteret af John Szedon i 1967, hvilket betydeligt øger antallet af transistorer på en flash-hukommelseschip. 3D NAND blev først annonceret af Toshiba i 2007. V-NAND blev først kommercielt fremstillet af Samsung Electronics i 2013.
- I 2008 annoncerede forskere ved HP Labs en fungerende memristor , et fjerde grundlæggende passive kredsløbselement, hvis eksistens kun var blevet teoretiseret tidligere. Memristorens unikke egenskaber tillader oprettelse af mindre og bedre ydeevne elektroniske enheder.
- I 2014 udviklede bioingeniører ved Stanford University et kredsløb modelleret efter den menneskelige hjerne. Seksten "Neurocore" chips simulerer en million neuroner og milliarder af synaptiske forbindelser, der hævdes at være 9.000 gange hurtigere samt mere energieffektive end en typisk pc.
- I 2015 annoncerede Intel og Micron 3D XPoint , en ikke-flygtig hukommelse, der hævdes at være betydeligt hurtigere med lignende densitet sammenlignet med NAND. Produktionen, der skulle starte i 2016, blev forsinket til anden halvdel af 2017.
- I 2017 kombinerede Samsung sin V-NAND-teknologi med eUFS 3D IC-stabling for at producere en 512 GB flashhukommelseschip med otte stablede 64-lags V-NAND-matricer. I 2019 producerede Samsung en 1 TB flashchip med otte stablede 96-lags V-NAND-matricer sammen med quad-level cell (QLC) teknologi ( 4-bit pr. Transistor), svarende til 2 billioner transistorer, det højeste transistortal på enhver IC -chip.
- I 2020 planlægger Samsung Electronics at producere 5 nm -noden ved hjælp af FinFET- og EUV -teknologi.
- I maj 2021 annoncerer IBM oprettelsen af den første 2 nm computerchip, hvor angiveligt dele er mindre end menneskeligt DNA.
Mikroprocessorarkitekter rapporterer, at fremskridtet i halvleder har bremset hele industrien siden omkring 2010, under det tempo, der forudsiges i Moores lov. Brian Krzanich, den tidligere administrerende direktør for Intel, meddelte: "Vores kadence i dag er tættere på to et halvt år end to." Intel erklærede i 2015, at forbedringer i MOSFET -enheder er bremset, begyndende ved 22 nm -funktionsbredden omkring 2012 og fortsatte ved 14 nm .
De fysiske grænser for transistorskalering er nået på grund af lækage fra kilde til afløb, begrænsede portmetaller og begrænsede muligheder for kanalmateriale. Andre tilgange undersøges, som ikke er afhængige af fysisk skalering. Heriblandt spintilstand af elektron spintronic , tunnel vejkryds , og avanceret indespærring af kanal materialer via nano-wire geometri. Spinbaseret logik og hukommelsesmuligheder udvikles aktivt i laboratorier.
Forskning i alternative materialer
Langt de fleste nuværende transistorer på IC'er består hovedsageligt af dopet silicium og dets legeringer. Da silicium fremstilles i enkelt nanometer transistorer, ændrer kortkanalseffekter negativt de ønskede materialegenskaber af silicium som en funktionel transistor. Nedenfor er der flere ikke-silicium substitutter i fremstillingen af små nanometer transistorer.
Et foreslået materiale er indium gallium arsenid eller InGaAs. Sammenlignet med deres silicium- og germanium-modstykker er InGaAs-transistorer mere lovende til fremtidige højhastigheds-, laveffekt-logiske applikationer. På grund af de iboende egenskaber ved III-V-sammensatte halvledere er kvantborings- og tunneleffekttransistorer baseret på InGaA'er blevet foreslået som alternativer til mere traditionelle MOSFET-designs.
- I begyndelsen af 2000'erne, de atomare lag deposition høj κ film og pitch- dobbelt-mønstring blev processer opfundet af Gurtej Singh Sandhu på Micron Technology , strækker Moores lov for plan CMOS-teknologi til 30 nm klasse og mindre.
- I 2009 annoncerede Intel udviklingen af 80-nanometer InGaAs kvantebrøndtransistorer . Quantum well -enheder indeholder et materiale, der er klemt mellem to lag materiale med et bredere båndgab. På trods af at den var dobbelt så stor som førende rene siliciumtransistorer på det tidspunkt, rapporterede virksomheden, at de også klarede sig lige meget, mens de brugte mindre strøm.
- I 2011 demonstrerede forskere ved Intel 3-D tri-gate InGaAs-transistorer med forbedrede lækageegenskaber sammenlignet med traditionelle plane designs. Virksomheden hævder, at deres design opnåede den bedste elektrostatik af enhver III-V-sammensat halvledertransistor. På den internationale Solid-State Circuits Conference 2015 nævnte Intel brugen af III-V-forbindelser baseret på en sådan arkitektur til deres 7 nanometer node.
- I 2011 udviklede forskere ved University of Texas i Austin en InGaAs tunnelfelt-effekt-transistorer i stand til at have højere driftsstrømme end tidligere designs. De første III-V TFET-designs blev demonstreret i 2009 af et fælles team fra Cornell University og Pennsylvania State University .
- I 2012 udviklede et team i MIT's Microsystems Technology Laboratories en 22 nm transistor baseret på InGaAs, som på det tidspunkt var den mindste ikke-silicium transistor, der nogensinde er bygget. Teamet brugte teknikker, der i øjeblikket bruges til fremstilling af siliciumenheder og sigter mod bedre elektrisk ydeevne og en reduktion til 10-nanometer skala.
Biologisk computingforskning viser, at biologisk materiale har overlegen informationstæthed og energieffektivitet sammenlignet med siliciumbaseret computing.
Forskellige former for graphene bliver undersøgt for graphene elektronik , f.eks graphene nanoribbon transistorer har vist meget lovende, da dens udseende i publikationer i 2008. (Bulk graphene har et båndgab på nul og kan derfor ikke bruges i transistorer på grund af sin konstante ledningsevne, en manglende evne til at slukke. Nanoribbons zigzag -kanter indfører lokaliserede energitilstande i lednings- og valensbåndene og dermed et båndgab, der muliggør omskiftning, når det fremstilles som en transistor. Som et eksempel har en typisk GNR med bredde på 10 nm en ønskelig båndgap energi på 0,4 eV.) Mere forskning skal dog udføres på sub 50 nm grafenlag, da dets resistivitetsværdi stiger og dermed elektronmobilitet falder.
Prognoser og køreplaner
I april 2005 udtalte Gordon Moore i et interview, at fremskrivningen ikke kan opretholdes på ubestemt tid: "Det kan ikke fortsætte for evigt. Eksponentielle karakterer er, at du skubber dem ud, og til sidst sker der katastrofe." Han bemærkede også, at transistorer i sidste ende ville nå grænserne for miniaturisering på atomniveau :
Med hensyn til størrelse [af transistorer] kan du se, at vi nærmer os størrelsen af atomer, hvilket er en grundlæggende barriere, men det vil tage to eller tre generationer, før vi kommer så langt - men det er så langt ude, som vi har nogensinde kunne se. Vi har yderligere 10 til 20 år, før vi når en grundlæggende grænse. På det tidspunkt vil de være i stand til at lave større chips og have transistorbudgetter i milliarder.
I 2016 fremstillede International Technology Roadmap for Semiconductors , efter at have brugt Moores lov til at drive industrien siden 1998, sin sidste køreplan. Det centrerede ikke længere sin forsknings- og udviklingsplan om Moores lov. I stedet skitserede det, hvad man kan kalde More than Moore -strategien, hvor applikationernes behov driver chipudvikling frem for et fokus på halvlederskalering. Applikationsdrivere spænder fra smartphones til AI til datacentre.
IEEE begyndte et vejkortlægningsinitiativ i 2016, "Rebooting Computing", kaldet International Roadmap for Devices and Systems (IRDS).
De fleste forudsigere, herunder Gordon Moore, forventer, at Moores lov vil ophøre omkring 2025. Selvom Moores lov vil nå en fysisk begrænsning, er mange prognosemænd optimistiske med hensyn til fortsættelsen af den teknologiske udvikling på en række andre områder, herunder nye chiparkitekturer, kvanteberegning, og AI og maskinlæring.
Konsekvenser
Digital elektronik har bidraget til verdens økonomiske vækst i slutningen af tyvende og begyndelsen af 21. århundrede. Den primære drivkraft for økonomisk vækst er produktivitetsvæksten og Moores lovfaktorer til produktivitet. Moore (1995) forventede, at "hastigheden af teknologiske fremskridt vil blive kontrolleret ud fra finansielle realiteter". Det omvendte kunne og skete dog omkring slutningen af 1990'erne, hvor økonomer rapporterede, at "produktivitetsvækst er den vigtigste økonomiske indikator for innovation." Moores lov beskriver en drivkraft for teknologiske og sociale ændringer, produktivitet og økonomisk vækst.
En acceleration i hastigheden af halvlederfremgang bidrog til en stigning i den amerikanske produktivitetsvækst, der nåede 3,4% om året i 1997–2004, hvilket oversteg 1,6% om året i både 1972–1996 og 2005–2013. Som økonom Richard G. Anderson bemærker, "Talrige undersøgelser har sporet årsagen til produktivitetsaccelerationen til teknologiske innovationer i produktionen af halvledere, der kraftigt reducerede priserne på sådanne komponenter og på de produkter, der indeholder dem (samt udvidelse af mulighederne for sådanne produkter). "
Den primære negative betydning af Moores lov er, at forældelse skubber samfundet op mod grænserne for vækst . Efterhånden som teknologier hurtigt "forbedres", gør de forgængerteknologier forældede. I situationer, hvor sikkerhed og overlevelse af hardware eller data er i højsædet, eller hvor ressourcerne er begrænsede, udgør hurtig forældelse ofte hindringer for problemfri eller fortsat drift.
På grund af det intensive ressourcefodaftryk og giftige materialer, der bruges til fremstilling af computere, fører forældelse til alvorlige skadelige miljøpåvirkninger . Amerikanerne smider 400.000 mobiltelefoner ud hver dag, men denne høje grad af forældelse fremstår for virksomheder som en mulighed for at generere regelmæssigt salg af dyrt nyt udstyr i stedet for at beholde en enhed i en længere periode, hvilket fører til, at industrien anvender planlagt forældelse som en profitcenter .
En alternativ kilde til forbedret ydeevne er i mikroarkitekturteknikker , der udnytter væksten af tilgængeligt transistortal. Ukorrekt udførelse og on-chip- cachelagring og forudindlæsning reducerer flaskehalsen for hukommelsesforsinkelse på bekostning af at bruge flere transistorer og øge processorens kompleksitet. Disse stigninger beskrives empirisk af Pollacks regel , der siger, at ydelsen stiger på grund af mikroarkitekturteknikker, der tilnærmer kvadratroden af kompleksiteten (antal transistorer eller arealet) af en processor.
I årevis leverede processorproducenter stigninger i urfrekvenser og parallelisme på instruktionsniveau , så enkelttrådskode udføres hurtigere på nyere processorer uden ændringer. Nu, for at styre CPU-strømafbrydelse , favoriserer processorproducenter multi-core chipdesign, og software skal skrives på en multi-threaded måde for at drage fuld fordel af hardwaren. Mange multi-threaded udviklingsparadigmer introducerer overhead og vil ikke se en lineær stigning i hastighed vs antal processorer. Dette er især tilfældet, mens adgang delt eller afhængige ressourcer, på grund af lås påstand. Denne effekt bliver mere mærkbar, efterhånden som antallet af processorer stiger. Der er tilfælde, hvor en stigning på cirka 45% i processortransistorer har oversat til cirka 10–20% stigning i processorkraft.
På den anden side tilføjer producenter specialiserede behandlingsenheder til at håndtere funktioner som grafik, video og kryptografi. For et eksempel tilføjer Intels Parallel JavaScript-udvidelse ikke kun understøttelse af flere kerner, men også for de andre ikke-generelle behandlingsfunktioner i deres chips, som en del af migreringen i scripts på klientsiden mod HTML5 .
Moores lov har påvirket andre teknologiers ydeevne betydeligt: Michael S. Malone skrev om en Moore's War efter den tilsyneladende succes med chok og ærefrygt i Irak -krigens tidlige dage . Fremskridt i udviklingen af guidede våben afhænger af elektronisk teknologi. Forbedringer i kredsløbstæthed og lav effektdrift i forbindelse med Moores lov har også bidraget til udviklingen af teknologier, herunder mobiltelefoner og 3D-udskrivning .
Andre formuleringer og lignende observationer
Flere målinger af digital teknologi forbedres med eksponentielle hastigheder relateret til Moores lov, herunder størrelsen, omkostningerne, tætheden og hastigheden af komponenter. Moore skrev kun om densiteten af komponenter, "en komponent er en transistor, modstand, diode eller kondensator", til minimale omkostninger.
Transistorer pr. Integreret kredsløb - Den mest populære formulering er fordobling af antallet af transistorer på IC hvert andet år. I slutningen af 1970'erne blev Moores lov kendt som grænsen for antallet af transistorer på de mest komplekse chips. Grafen øverst viser, at denne tendens er gældende i dag. Fra 2017 er den kommercielt tilgængelige processor med det højeste antal transistorer den 48 kerne Centriq med over 18 milliarder transistorer.
Tæthed til minimale omkostninger pr. Transistor - Dette er formuleringen i Moores papir fra 1965. Det handler ikke kun om densiteten af transistorer, der kan opnås, men om densiteten af transistorer, hvor prisen pr. Transistor er den laveste. Når flere transistorer sættes på en chip, falder omkostningerne ved at lave hver transistor, men chancen for, at chippen ikke fungerer på grund af en defekt, stiger. I 1965 undersøgte Moore tætheden af transistorer, til hvilke omkostninger minimeres, og bemærkede, at da transistorer blev gjort mindre gennem fremskridt inden for fotolitografi , ville dette antal stige med "en hastighed på omtrent en faktor på to om året".
Dennard -skalering - Dette antyder, at strømforbruget ville falde i forhold til arealet (både spænding og strøm, der er proportional med længden) af transistorer. Kombineret med Moores lov ville ydelsen pr. Watt vokse i nogenlunde samme hastighed som transistortætheden og fordobles hvert 1-2 år. Ifølge Dennards skalering skal transistordimensioner skaleres med 30% (0,7x) hver teknologigeneration og dermed reducere deres areal med 50%. Dette ville reducere forsinkelsen med 30% (0,7x) og derfor øge driftsfrekvensen med ca. 40% (1,4x). Endelig for at holde det elektriske felt konstant ville spændingen reduceres med 30%, reducere energien med 65%og effekten (ved 1,4x frekvens) med 50%. Derfor vil transistortætheden i hver teknologi generation fordobles, kredsløbet bliver 40% hurtigere, mens strømforbruget (med dobbelt så mange transistorer) forbliver det samme. Dennards skalering sluttede i 2005–2010 på grund af lækstrømme.
Den eksponentielle processortransistortilvækst, der forudsiges af Moore, oversætter ikke altid til eksponentielt større praktisk CPU -ydelse. Siden omkring 2005–2007 er Dennards skalering afsluttet, så selvom Moores lov fortsatte i flere år efter det, har det ikke givet udbytte i forbedret præstation. Den primære årsag til sammenbruddet er, at strømlækage i små størrelser udgør større udfordringer og også får chippen til at varme op, hvilket skaber en trussel om termisk løb og derfor øger energiomkostningerne yderligere.
Fordelingen af Dennard -skalering førte til et større fokus på multicore -processorer, men de gevinster, der tilbydes ved at skifte til flere kerner, er lavere end de gevinster, der ville blive opnået, hvis Dennard -skalering fortsatte. I en anden afvigelse fra Dennard-skalering vedtog Intel-mikroprocessorer en ikke-plan tri-gate FinFET ved 22 nm i 2012, der er hurtigere og bruger mindre strøm end en konventionel plan transistor. Hastigheden af forbedring af ydeevnen for enkeltkerne mikroprocessorer er aftaget betydeligt. Single-core præstationer blev forbedret med 52% om året i 1986–2003 og 23% om året i 2003–2011, men faldt til kun syv procent om året i 2011–2018.
Kvalitetsjusteret pris på it -udstyr - Prisen på informationsteknologi (IT), computere og periferiudstyr, justeret for kvalitet og inflation, faldt i gennemsnit 16% om året i løbet af de fem årtier fra 1959 til 2009. Tempoet accelererede imidlertid til 23% om året i 1995–1999 udløst af hurtigere it -innovation og senere bremset til 2% om året i 2010–2013.
Mens kvalitetsjusteret prisforbedring af mikroprocessor fortsætter, varierer forbedringshastigheden ligeledes og er ikke lineær på en logskala. Prisforbedringen i mikroprocessoren accelererede i slutningen af 1990'erne og nåede 60% om året (halvering hver ni måneder) mod den typiske forbedringsrate på 30% (halvering hvert andet år) i årene tidligere og senere. Især bærbare mikroprocessorer forbedrede 25–35% om året i 2004–2010 og bremsede til 15–25% om året i 2010–2013.
Antallet af transistorer pr. Chip kan ikke forklare kvalitetsjusterede mikroprocessorpriser fuldt ud. Moores papir fra 1995 begrænser ikke Moores lov til streng linearitet eller til transistortælling, "Definitionen på 'Moores lov' er kommet til at referere til næsten alt, der er relateret til halvlederindustrien, der på et halvt log-plot nærmer sig en lige linje. Jeg tøver at gennemgå dens oprindelse og ved at begrænse dens definition. "
Harddisk areal tæthed - En lignende forudsigelse (undertiden kaldet Kryder lov ) blev lavet i 2005 for harddisk areal tæthed . Forudsigelsen blev senere betragtet som overoptimistisk. Flere årtiers hurtige fremskridt inden for arealdensitet blev langsommere omkring 2010, fra 30-100% om året til 10-15% om året på grund af støj i forbindelse med mindre kornstørrelse på diskmediet, termisk stabilitet og skrivbarhed ved hjælp af tilgængelige magnetfelter.
Fiberoptisk kapacitet -Antallet af bits pr. Sekund, der kan sendes ned af en optisk fiber, stiger eksponentielt hurtigere end Moores lov. Kecks lov , til ære for Donald Keck .
Netværkskapacitet - Ifølge Gerry/Gerald Butters, den tidligere chef for Lucents Optical Networking Group på Bell Labs, er der en anden version, kaldet Butters 'Law of Photonics, en formulering, der bevidst er parallel med Moores lov. Butters lov siger, at mængden af data, der kommer ud af en optisk fiber, fordobles hver ni måneder. Således falder omkostningerne ved at transmittere lidt over et optisk netværk med halvdelen hver ni måneder. Tilgængeligheden af bølgelængde-divisionsmultiplexering (undertiden kaldet WDM) øgede kapaciteten, der kunne placeres på en enkelt fiber med så meget som en faktor 100. Optisk netværk og tæt bølgelængde-divisionsmultiplexering (DWDM) sænker hurtigt omkostningerne til netværk, og yderligere fremskridt synes sikre. Som et resultat faldt engrosprisen for datatrafik sammen i dot-com-boblen . Nielsens lov siger, at den båndbredde, der er tilgængelig for brugerne, stiger med 50% årligt.
Pixels per dollar - På samme måde har Barry Hendy fra Kodak Australia afbildet pixels pr. Dollar som et grundlæggende værdimål for et digitalkamera, hvilket demonstrerer den historiske linearitet (på en logskala) for dette marked og mulighed for at forudsige den fremtidige trend i digitalt kamera kamerapris, LCD- og LED -skærme og opløsning.
Den store Moores lovkompensator (TGMLC) , også kendt som Wirths lov - betegnes generelt som software -oppustethed og er princippet om, at successive generationer af computersoftware stiger i størrelse og kompleksitet, og derved modvirker de præstationsgevinster, der forudsiges af Moores lov. I en 2008 -artikel i InfoWorld introducerer Randall C. Kennedy, tidligere Intel, dette udtryk ved hjælp af successive versioner af Microsoft Office mellem år 2000 og 2007 som hans præmis. På trods af gevinsterne i beregningsydelse i denne tidsperiode ifølge Moores lov udførte Office 2007 den samme opgave med halv hastighed på en prototypisk år 2007 -computer i forhold til Office 2000 på en år 2000 -computer.
Biblioteksudvidelse - blev beregnet i 1945 af Fremont Rider til at fordoble kapaciteten hvert 16. år, hvis der blev stillet tilstrækkelig plads til rådighed. Han gik ind for at udskifte omfangsrige, forfaldne trykte værker med miniaturiserede analoge fotografier i mikroform , som efter behov kunne kopieres til biblioteket eller andre institutioner. Han forudså ikke den digitale teknologi, der ville følge årtier senere for at erstatte analog mikroform med digital billeddannelse, lagring og transmissionsmedier. Automatiserede, potentielt tabsfri digitale teknologier tillod store stigninger i informationsvækstens hurtighed i en æra, der nu undertiden kaldes informationsalderen .
Carlson -kurve - er et begreb, der er udtænkt af The Economist for at beskrive den bioteknologiske ækvivalent til Moores lov, og er opkaldt efter forfatteren Rob Carlson. Carlson forudsagde præcist, at fordoblingstiden for DNA -sekventeringsteknologier (målt ved omkostninger og ydeevne) ville være mindst lige så hurtig som Moores lov. Carlson Curves illustrerer de hurtige (i nogle tilfælde hyperexponentielle) fald i omkostninger og stigninger i ydeevne for en række forskellige teknologier, herunder DNA -sekventering, DNA -syntese og en række fysiske og beregningsmæssige værktøjer, der bruges til proteinudtryk og til bestemmelse af proteinstrukturer .
Erooms lov - er en observation af lægemiddeludvikling, der bevidst blev skrevet som Moores lov stavet baglæns for at modsætte den eksponentielle fremskridt inden for andre former for teknologi (såsom transistorer) over tid. Det hedder, at omkostningerne ved at udvikle et nyt lægemiddel stort set fordobles hvert niende år.
Erfaringskurveeffekter siger, at hver fordobling af den kumulative produktion af stort set ethvert produkt eller service ledsages af en omtrentlig konstant procentvis reduktion i enhedsomkostningerne. Den anerkendte første dokumenterede kvalitative beskrivelse af dette stammer fra 1885. En effektkurve blev brugt til at beskrive dette fænomen i en diskussion af flyvemaskiner i 1936.
Edholms lov - Phil Edholm bemærkede, at båndbredden af telekommunikationsnetværk (herunder Internettet ) fordobles hver 18. måned. Båndbredderne i online kommunikationsnetværk er steget fra bits pr. Sekund til terabit pr. Sekund . Den hurtige stigning i online båndbredde skyldes i vid udstrækning den samme MOSFET -skalering, der muliggør Moores lov, da telekommunikationsnetværk er bygget af MOSFET'er.
Haitz lov forudsiger, at lysdiodernes lysstyrke stiger, når deres produktionsomkostninger falder.
Swansons lov er iagttagelsen af, at prisen på solcellemoduler har en tendens til at falde 20 procent for hver fordobling af kumulativt afsendt volumen. I øjeblikket falder omkostningerne 75% cirka hvert 10. år.
Se også
Noter
Referencer
Yderligere læsning
- Brock, David C. (red.) (2006). Forståelse af Moores lov: Fire årtiers innovation . Philadelphia: Chemical Heritage Foundation. ISBN 0-941901-41-6 . OCLC 66463488 .
- Mody, Cyrus (2016). Moores lovs lange arm: Mikroelektronik og amerikansk videnskab . Cambridge, Mass .: The MIT Press. ISBN 978-0262035491.
- Thackray, Arnold; David C. Brock og Rachel Jones (2015). Moore's Law: The Life of Gordon Moore, Silicon Valley's Quiet Revolutionary . New York: Grundlæggende bøger.
- Tuomi, Ilkka (2002). Moores lovs liv og død . Første mandag, 7. (11), november 2002. https://doi.org/10.5210/fm.v7i11.1000
eksterne links
- Intel pressekit - udgivet til Moores lovs 40 års jubilæum, med en skitse fra Moore fra 1965
- Ingen teknologi har været mere forstyrrende ... Diasshow af mikrochipvækst
- Intel (IA-32) CPU-hastigheder 1994–2005 -hastighedsstigninger i de senere år har tilsyneladende bremset med hensyn til procentvis stigning om året (tilgængelig i PDF- eller PNG-format)
- International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS)
- "Gordon Moore, hans lov og integreret kredsløb" , Dream 2047 , oktober 2006
- AC | net FAQ om Moores lov på archive.today (arkiveret 2013-01-02)
- ASMLs 'Our Stories', Gordon Moore om Moores lov , ASML Holding
