Z artykułu dowiesz się:

• Na czym polega prawo Moore’a
• Jak na przestrzeni lat zmieniły się mikroprocesory
• Jakie problemy pojawiają się w produkcji coraz to nowocześniejszych tranzystorów
• Czy prawo Moore’a ma jeszcze jakiś sens
• Jaki wpływ na sztuczną inteligencję ma prawo Moore’a

Na czym polega prawo Moore’a?

Prawo Moore’a odnosi się bezpośrednio do liczby tranzystorów w układach scalonych. Jego twórcą jest Gordon Moore, znany przede wszystkim jako człowiek odpowiedzialny za powstanie Intel Corporation. Jak się jednak okazuje, przypisuje się mu znacznie więcej zasług. W 1965 roku stworzył prawo Moore’a, oczywiście nazwa pochodzi od jego nazwiska. Prawo Moore’a miało ogromny wpływ na rozwój technologii, szczególnie komputerów i smartfonów. Z czasem okazało się, że przyczyniło się też do zmian w innych dziedzinach nauki, w tym fizyki i medycyny. Według Gordona Moore’a postęp technologiczny przyspiesza w określonym tempie. Odbywa się według pewnego schematu. Jakiego?

Pierwszy raz informacja o prawie Moore’a pojawiła się w magazynie „Electronics”. Gordon Moore opisał w nim swoje obserwacje i teorie, twierdząc, że liczba tranzystorów w układach scalonych podwaja się mniej więcej co 18-24 miesięcy. Miało to znaczyć tyle, że nowe chipy pojawiające się co kilka lat zawierają dwa razy więcej tranzystorów niż ich poprzednie wersje. No dobrze, ale właściwie po co komuś taka wiedza? Na tej podstawie możemy też twierdzić, że moc obliczeniowa komputerów i innych urządzeń elektronicznych rośnie w tempie wykładniczym. W konsekwencji sprzęty są coraz wydajniejsze, ale też mniejsze.

Prawo Moore’a jest efektem obserwacji współzałożyciela Intela. Początkowo skoncentrował się on jednak tylko na sprzęcie komputerowym. To jednak z czasem się zmieniło i zaczął on bardziej zwracać uwagę na całą branżę półprzewodników. Okazało się więc, że prawo Moore’a ma zastosowanie w wielu innych dziedzinach i nie ogranicza się tylko do przemysłu komputerowego. Należy jednak mieć na uwadze fakt, że liczba elementów w chipie nie rośnie wprost proporcjonalnie do mocy obliczeniowej, która zależy od wielu innych czynników. Oczywiście, początkowo większa liczba tranzystorów była równoznaczna z większą wydajnością. Dzisiaj nie jest to już regułą.

Można jednak uznać, że jeszcze kilkanaście lat temu prawo Moore’a było pewnego rodzaju kierunkowskazem dla branży technologicznej. Firmy dzięki temu znały kierunek, w którym mają podążać. Gordon Moore najprawdopodobniej nie przewidział jednak tego, że postęp technologiczny może spowodować zachwianie jego teorii. Duża liczba komponentów wcale nie musi iść w parze z wydajnością sprzętu, a niekiedy jest nawet zupełnie odwrotnie. Kiedyś raczej obowiązywał trend maksymalizmu, dzisiaj wszystko upraszczamy i dążymy do minimalizmu. Dotyczy to też technologii.

Rozwój mikroprocesorów na przestrzeni lat

Trzeba jednak przyznać, że Gordon Moore miał nosa i teoria, którą stworzył miała naprawdę duży sens, wciąż w jakimś stopniu nadal ma. Był nie tylko doskonałym i utalentowanym inżynierem, ale też bacznym obserwatorem. Wszystko jednak idzie do przodu i się zmienia. Rozwój technologiczny miał też wpływ na prawo Moore’a, chociaż należy uznać, że prawo Moore’a wpłynęło wyraźnie też na postęp technologiczny. Układy scalone na przestrzeni lat przeszły ogromną metamorfozę. Ich początkowa faza rozwoju sięga lat 60. i 70. XX wieku. Były to proste komponenty ze stosunkowo niewielką liczbą tranzystorów. Wystarczy przypomnieć sobie pierwszy komercyjny mikroprocesor Intel 4004 składający się z zaledwie 2300 tranzystorów. Ci, którym ten temat nie jest obcy, doskonale rozumieją, jak śmieszna jest to liczba w porównaniu do późniejszych modeli. Taka budowa miała wpływ na ograniczone zastosowanie chipów.

W latach 80. nastały jednak zmiany. Była to era prężnego rozwoju mocy obliczeniowej. Na rynku pojawiły się wtedy takie mikroprocesory, jak Intel 8086, które zawierały setki tysięcy tranzystorów. I to właśnie był czas, kiedy komputery zyskały na dostępności. Nie był to już sprzęt zarezerwowany jedynie dla wojska i przemysłu, ale praktycznie każdy przeciętny człowiek mógł je mieć do swojej dyspozycji. To był właśnie czas, kiedy układy scalone zaczęły się wyraźnie zmieniać. Pojawiały się modele zdecydowanie bardziej rozbudowane i zaawansowane, składające się nawet z miliardów tranzystorów…to już imponująca liczba. Dzisiaj centrale posiadają nawet ponad 10 miliardów tranzystorów.

Rozwój układów scalonych związany był tez ze zmianą ich wielkości. One wcale nie stawały się coraz większe, a wręcz przeciwnie – „chudły” w oczach. Wyobraźmy sobie sytuację, że ich wielkość wzrastałaby wraz z ilością tranzystorów. Jak duże by teraz były? Aż strach pomyśleć, ale na pewno nie byłyby to jednostki o tak dużej funkcjonalności, jak te współczesne. Rozmiar tranzystorów się więc zmniejszał, a to oznaczało, że można było umieszczać coraz więcej tego typu elementów na pojedynczym krzemowym podłożu. W efekcie wydajność sprzętu była coraz większa, a koszty produkcji coraz mniejsze. No właśnie i teraz kluczowe – miniaturyzacja pozwoliła tak naprawdę przetrwać prawu Moore’a. W przeciwnym razie dalsze skalowanie z pewnością by wyhamowało.

Czy branża półprzewodników utrzyma tempo? Czy prawo Moore’a przetrwa?

Specjaliści wciąż zadają sobie te pytania w odniesieniu do prawa Moore’a. Inżynierowie mają coraz więcej problemów, jeśli chodzi o utrzymanie tempa wzrostu tranzystorów w układach scalonych. Okazuje się, że wszystko ma jednak swój limit. Coraz trudniej jest realizować prawo Moore’a i dlatego pojawiają się wątpliwości, czy wciąż jest ono aktualne i ma jeszcze jakikolwiek sens.

Tranzystory na układach scalonych osiągnęły już tak małe rozmiary, że trudno sobie wyobrazić, że można byłoby je jeszcze bardziej zmniejszyć. To staje się po prostu fizycznie niemożliwe. Zmniejszenie rozmiarów tranzystorów pociąga za sobą kolejne wyzwania, jak np. efekt tunelowania, który ma negatywny wpływ na stabilność układów scalonych. Trzeba też pamiętać, że wraz ze wzrostem liczby tranzystorów w układach scalonych wzrasta zapotrzebowanie na energię. Chodzi o to, że takie jednostki wymagają coraz wydajniejszego chłodzenia, a zarządzanie temperaturą staje się coraz trudniejsze. Kolejny problem to wykorzystywane materiały i procesy w produkcji półprzewodników, one także mają swoją granicę i właśnie się do niej zbliżają. Potrzebne są więc nowe, aby można było dalej rozwijać układy scalone.

I teraz wisienka na torcie – kwestie finansowe. W biznesie zawsze wszystko ostatecznie sprowadza się do pieniędzy. Rozwój tranzystorów zgodnie z prawem Moore’a staje się coraz bardziej kosztowny. Chodzi o to, że kosztują badania, nowe technologie, prace testowe i sam proces produkcji.

Wszystko to mogłoby sprawić, że prawo Moore’a już niedługo odejdzie w zapomnienie i będziemy je wspominać jako coś, co było, podobnie jak Gordona Moore’a, którego też już z nami nie ma. Specjaliści jednak nie składają broni i nie spoczywają na laurach, a prężnie działają, aby jednak nie zaprzepaścić dzieła Moore’a. Pracują nad tranzystorami na bazie nanorurek i rozwijają strategie zarządzania energią i chłodzenia. Pozostaje więc trzymać kciuki, aby wszystko zmierzało w kierunku sukcesu, a nie porażki.

Kryzys prawa Moore’a

Na pewno trzeba do prawa Moore’a podchodzić dzisiaj z pewną rezerwą. Przez dziesiątki lat miało się naprawdę dobrze, ale ostatnie lata pokazały, że jest to teoria, która może po prostu nie przetrwać ze względu na zmiany technologiczne. Są przesłanki, że w kolejnych latach tempo rozwoju mocy obliczeniowej może wyraźnie zwolnić. Trzeba jednak pamiętać, że to tylko jedna ze składowych prawa Moore’a.

Na pewno nie jest tajemnicą, że w ostatnich latach wyhamowało tempo wzrostu liczby tranzystorów w rdzeniach krzemowych. Przyczyną są fizyczne ograniczenia jednostek, a także coraz większe koszty produkcji. Obecnie rozmiar pojedynczego tranzystora wynosi ok. 48 nm. Trwają jednak prace nad nowymi rozwiązaniami, jak np. trójwymiarowa integracja układów scalonych. No właśnie, ale czy możemy już dzisiaj mówić o upadku prawa Moore’a. Tak naprawdę nie, to zbyt odważne stwierdzenie. O tym, czy tak właśnie jest, przekonamy się za kilka lat, kiedy zaobserwujemy, czy trend hamujący będzie postępował. Jak już przekonaliśmy się wielokrotnie, technologia lubi zaskakiwać.

Prawo Moore’a a sztuczna inteligencja

Jeśli ktoś ma przynajmniej niewielkie pojęcie o urządzenia elektronicznych i chipach, to w mniejszym lub większym stopniu rozumie, że prawo Moore’a ma wpływ na rozwój sztucznej inteligencji. Chodzi tutaj o główne założenie teorii, że liczba tranzystorów w mikrochipie będzie się podwajać mniej więcej co dwa lata. Z tego wynika, że aplikacje AI mogą znaleźć się w coraz mniejszych urządzeniach, a to przekłada się na ich większą dostępność. Druga kwestia to szybkość przetwarzania danych dzięki coraz potężniejszym urządzeniom. Ma to wpływ na skuteczność uczenia maszynowego – komputery uczą się na dużych zbiorach danych, im więcej danych Sztuczna inteligencja przetworzy, tym jest skuteczniejsza w swoich działaniach.

Związek prawa Moore’a ze sztuczną inteligencją może znacząco wpłynąć na starania nad utrzymaniem tej teorii przy życiu. Jak wiadomo, AI to teraźniejszość i przyszłość, a więc specjaliści robią wszystko, aby coraz wydajniej pracować nad jej skutecznością i prawo Moore’a może być przy tym bardzo pomocne.

Gordon Moore zrobił bardzo dużo dobrego dla technologii i mógł odejść w spokoju, pozostawiając po sobie bardzo duży dobytek naukowy. To, czy przetrwa on próbę czasu, nie jest do końca wiadome. Prawo Moore’a wciąż obowiązuje, ale już w ograniczonym stopniu. Pojawia się coraz więcej przesłanek, że nie ma ono już większego sensu. Ma jednak swoich zagorzałych zwolenników, którzy walczą o jego przetrwanie. Na pewno prawo Moore’a wciąż jest kierunkowskazem dla inżynierów, którzy zwyczajnie wiedzą, w którą stronę powinni zmierzać.