Ποιος είναι ο νόμος του Moore και ποιο είναι αυτό;

Ο νόμος του Moore αναφέρεται σε μια παρατήρηση του συνιδρυτή της Intel Gordon Moore το 1965, στην οποία ανακάλυψε ότι ο αριθμός των τρανζίστορ ανά τετραγωνική ίντσα σε ολοκληρωμένα κυκλώματα διπλασιάστηκε χρόνο με το χρόνο από την εφεύρεσή του.

Ο νόμος του Moore προβλέπει ότι αυτή η τάση θα παραμείνει άθικτη για τα επόμενα χρόνια. Αν και ο ρυθμός μειώθηκε, ο αριθμός των τρανζίστορ ανά τετραγωνική ίντσα διπλασιάστηκε περίπου κάθε ενάμιση χρόνο. Αυτό χρησιμοποιείται ως ο σημερινός ορισμός του Νόμου του Moore.

Ευρετήριο περιεχομένων

Η απλοποιημένη έκδοση αυτού του νόμου δηλώνει ότι οι ταχύτητες του επεξεργαστή ή η συνολική υπολογιστική ισχύς για υπολογιστές θα διπλασιάζονται κάθε δύο χρόνια. Ένας γρήγορος έλεγχος μεταξύ τεχνικών από διαφορετικές εταιρείες υπολογιστών δείχνει ότι ο όρος δεν είναι πολύ δημοφιλής, αλλά ο κανόνας εξακολουθεί να είναι αποδεκτός.

Αν εξετάσαμε τις ταχύτητες επεξεργαστών από το 1970 έως το 2018 και στη συνέχεια και πάλι το 2019, ίσως να πιστεύουμε ότι ο νόμος έχει φτάσει στο όριο ή προσεγγίζει. Στη δεκαετία του 1970, οι ταχύτητες επεξεργαστών κυμαίνονταν από 740 KHz έως 8 MHz. Ωστόσο, ο νόμος είναι στην πραγματικότητα ακριβέστερος για την εφαρμογή σε τρανζίστορ παρά στην ταχύτητα.

Το ποσό της υπολογιστικής ισχύος που μπορούμε τώρα να χρησιμοποιήσουμε στις μικρότερες συσκευές είναι κάπως αξιοσημείωτο σε σύγκριση με αυτό που θα μπορούσε να επιτευχθεί, ας πούμε, μια δεκαετία πριν.

Κοιτάζοντας πίσω, ακόμη και πέντε χρόνια περίπου, ένας υπολογιστής που ήταν ο καλύτερος εκείνη τη στιγμή θα θεωρούταν ξεπερασμένος σε σύγκριση με έναν τρέχοντα υπολογιστή.

Αυτό είναι δυνατό μόνο επειδή οι κατασκευαστές τσιπ είναι σε θέση να αυξήσουν σημαντικά τον αριθμό των τρανζίστορ σε ένα τσιπ κάθε χρόνο, καθώς βελτιώνονται οι εξελίξεις στην έρευνα των τσιπ.

Η επέκταση του Νόμου του Moore είναι ότι οι υπολογιστές, τα εξαρτήματα που κινούνται με υπολογιστή και η υπολογιστική ισχύς γίνονται μικρότερα και γρηγορότερα με την πάροδο του χρόνου, καθώς τα τρανζίστορ στα ολοκληρωμένα κυκλώματα γίνονται πιο αποτελεσματικά.

Τα τρανζίστορ είναι απλοί ηλεκτρονικοί διακόπτες on-off ενσωματωμένοι σε μικροτσίπ, επεξεργαστές και μικρά ηλεκτρικά κυκλώματα. Όσο ταχύτερα επεξεργάζονται τα ηλεκτρικά σήματα, τόσο πιο αποτελεσματική γίνεται ο υπολογιστής.

Το κόστος αυτών των υπολογιστών υψηλότερης ισχύος επίσης μειώθηκε με την πάροδο του χρόνου, γενικά γύρω στο 30% ετησίως. Όταν οι σχεδιαστές υλικού αύξησαν την απόδοση των υπολογιστών με καλύτερα ολοκληρωμένα κυκλώματα, οι κατασκευαστές ήταν σε θέση να δημιουργήσουν καλύτερα μηχανήματα που θα μπορούσαν να αυτοματοποιήσουν ορισμένες διαδικασίες. Αυτή η αυτοματοποίηση δημιούργησε προϊόντα με χαμηλότερες τιμές για τους καταναλωτές, καθώς το υλικό δημιούργησε χαμηλότερο κόστος εργασίας.

Νόμου του Moore στη σημερινή κοινωνία

Πενήντα χρόνια μετά το νόμο του Moore, η σύγχρονη κοινωνία βλέπει δεκάδες οφέλη που εκτίθενται από αυτόν τον νόμο. Οι κινητές συσκευές, όπως τα smartphones και οι επιτραπέζιοι υπολογιστές, δεν θα λειτουργούσαν χωρίς πολύ μικρούς επεξεργαστές. Οι μικρότεροι, ταχύτεροι υπολογιστές βελτιώνουν τη μεταφορά, την υγειονομική περίθαλψη, την εκπαίδευση και την παραγωγή ενέργειας. Σχεδόν κάθε πτυχή μιας κοινωνίας υψηλής τεχνολογίας επωφελείται από την έννοια του Νόμου του Moore που τέθηκε σε εφαρμογή.

Σήμερα, όλοι οι επεξεργαστές καταναλωτών είναι κατασκευασμένοι από πυρίτιο, το δεύτερο πιο άφθονο στοιχείο στο φλοιό της Γης, μετά από οξυγόνο. Αλλά το πυρίτιο δεν είναι τέλειος αγωγός και τα όρια στην κινητικότητα των ηλεκτρονίων που φέρνει τοποθετούν ένα σκληρό όριο στο πόσο παχύς μπορείτε να συσκευάσετε τρανζίστορ πυριτίου.

Αλλά όχι μόνο η κατανάλωση ρεύματος είναι ένα τεράστιο πρόβλημα, αλλά επίσης ένα φαινόμενο που ονομάζεται κβαντική σήραγγα μπορεί να προκαλέσει προβλήματα κράτησης ηλεκτρονίων που βρίσκονται πέρα ​​από ένα συγκεκριμένο όριο πάχους.

Τα τρανζίστορ πυριτίου φτάνουν σήμερα στα 14 νανόμετρα και ενώ ορισμένα σχέδια τσιπ 10-νανομέτρων θα πληγούν σύντομα στην αγορά, έχει συμπεράνει ότι για να συμμορφωθούν με το νόμο του Moore για μεγάλο χρονικό διάστημα, οι εταιρείες θα πρέπει να δημιουργούν νεότερα και καλύτερα υλικά για να αποτελέσουν το θεμέλιο για τους υπολογιστές της επόμενης γενιάς.

Νόμου του Moore στο μέλλον

Χάρη στη νανοτεχνολογία, μερικά τρανζίστορ είναι μικρότερα από έναν ιό. Αυτές οι μικροσκοπικές δομές περιέχουν τέλεια ευθυγραμμισμένα μόρια πυριτίου και άνθρακα που βοηθούν στην ταχύτερη κίνηση της ηλεκτρικής ενέργειας κατά μήκος του κυκλώματος.

Τελικά, η θερμοκρασία των τρανζίστορ καθιστά αδύνατη τη δημιουργία μικρότερων κυκλωμάτων, επειδή η ψύξη των τρανζίστορ απαιτεί περισσότερη ενέργεια από ό, τι περνά μέσα από τα τρανζίστορ. Οι ειδικοί δείχνουν ότι οι υπολογιστές θα πρέπει να φτάσουν στα φυσικά όρια του νόμου του Moore κάποια στιγμή μέσα στα επόμενα χρόνια. Όταν συμβεί αυτό, οι επιστήμονες υπολογιστών θα πρέπει να εξετάσουν εντελώς νέους τρόπους δημιουργίας υπολογιστών.

Οι εφαρμογές και το λογισμικό θα μπορούσαν να βελτιώσουν την ταχύτητα και την αποδοτικότητα των υπολογιστών στο μέλλον, παρά τις φυσικές διαδικασίες. Η τεχνολογία σύννεφων, η ασύρματη επικοινωνία, το Διαδίκτυο των πραγμάτων και η κβαντική φυσική θα μπορούσαν επίσης να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στην καινοτομία στην τεχνολογία των πληροφοριών.

Η πρόοδος προς τον διπλασιασμό του αριθμού των κυκλωμάτων έχει επιβραδυνθεί και τα ολοκληρωμένα κυκλώματα δεν μπορούν να γίνουν πολύ μικρότερα καθώς τα τρανζίστορ πλησιάζουν το μέγεθος ενός ατόμου.

Σε κάποιο σημείο στο μέλλον, η πρόοδος στο λογισμικό ή το υλικό μπορεί να κρατήσει ζωντανό το όνειρο του νόμου του Moore. Ωστόσο, η βιομηχανία υπολογιστών φαίνεται να είναι έτοιμη να στραφεί σε μια άλλη πορεία που θα προχωρήσει σε λίγα χρόνια.

Η πρόοδος του νόμου του Moore

Παρόλο που ο νόμος του Moore το είχε πει κάθε δύο χρόνια, αυτή η ταχεία αύξηση της τεχνολογικής παραγωγής μείωσε την περίοδο στο μυαλό τόσο των τεχνικών όσο και των χρηστών.

Ο περιορισμός που υπάρχει είναι ότι όταν οι τρανζίστορ μπορούν να δημιουργηθούν τόσο μικρά όσο τα ατομικά σωματίδια, τότε δεν θα υπάρχει πλέον περιθώριο ανάπτυξης στην αγορά της CPU όταν πρόκειται για ταχύτητες.

Ο Moore παρατήρησε ότι ο συνολικός αριθμός των στοιχείων σε αυτά τα κυκλώματα είχε διπλασιαστεί περίπου κάθε χρόνο, γι 'αυτό προέβαλε αυτή την ετήσια αλληλεπικάλυψη στην επόμενη δεκαετία, εκτιμώντας ότι τα μικροκυκλώματα του 1975 θα περιέχουν 65.000 συνιστώσες ανά τσιπ.

Το 1975, καθώς ο ρυθμός ανάπτυξης άρχισε να επιβραδύνεται, ο Moore αναθεώρησε το διετές χρονικό πλαίσιο του. Ο αναθεωρημένος νόμος του ήταν λίγο απαισιόδοξος. Περίπου 50 χρόνια μετά το 1961, ο αριθμός των τρανζίστορ διπλασιάστηκε περίπου κάθε 18 μήνες. Στη συνέχεια, τα περιοδικά αναφερόταν τακτικά στο νόμο του Moore σαν να ήταν τεχνολογικός νόμος με την ασφάλεια των νόμων κίνησης του Νεύτωνα.

Αυτό που επέτρεψε τη δραματική αυτή έκρηξη στην πολυπλοκότητα του κυκλώματος ήταν το συρρικνούμενο μέγεθος των τρανζίστορ για δεκαετίες.

Χαρακτηριστικά των τρανζίστορ που μετράνε λιγότερο από ένα μικρό (micron) επιτεύχθηκαν κατά τη δεκαετία του 1980, όταν τα μάρκες δυναμικής μνήμης τυχαίας προσπέλασης (DRAM) άρχισαν να προσφέρουν δυνατότητες αποθήκευσης megabyte.

Την αυγή του 21ου αιώνα, αυτά τα χαρακτηριστικά προσέγγισαν πλάτος 0, 1 μm, επιτρέποντας την κατασκευή τσιπ μνήμης gigabyte και μικροεπεξεργαστών που λειτουργούσαν σε συχνότητες gigahertz. Ο νόμος του Moore συνεχίστηκε στη δεύτερη δεκαετία του 21ου αιώνα με την εισαγωγή τρανζίστορ τριών διαστάσεων τρανζίστορ.

Το κοντινό τέλος του νόμου του Moore

Επειδή ο νόμος του Moore υποδηλώνει εκθετική ανάπτυξη, είναι απίθανο να συνεχιστεί επ 'αόριστον. Οι περισσότεροι ειδικοί αναμένουν ότι ο νόμος του Moore θα διαρκέσει άλλες δύο δεκαετίες. Ορισμένες μελέτες έχουν δείξει ότι οι φυσικοί περιορισμοί θα μπορούσαν να επιτευχθούν το 2018.

Σύμφωνα με πρόσφατη έκθεση του διεθνούς τεχνολογικού χάρτη πορείας για τους ημιαγωγούς (ITRS), η οποία περιλαμβάνει chip giants όπως η Intel και η ίδια η Samsung, τα τρανζίστορ θα μπορούσαν να φτάσουν σε σημείο όπου δεν θα μπορούσαν να μειωθούν περαιτέρω έως το 2021. Οι εταιρείες ισχυρίζονται ότι, τότε δεν θα είναι πλέον οικονομικά εφικτό να τα μειώσουμε, καταλήγοντας τελικά στο νόμο του Moore.

Αυτό σημαίνει ότι αν και φυσικά θα μπορούσαν να γίνουν μικρότερες, θεωρητικά θα πέτυχαν αυτό που το ITRS ονομάζει "οικονομικό ελάχιστο", πράγμα που σημαίνει ότι αυτό θα καθιστούσε το κόστος μόνο απαγορευτικό.

Δεν είναι η πρώτη φορά που αμφισβητείται η θεωρία του Moore. Πέρυσι, ο Διευθύνων Σύμβουλος της Intel, Brian Krzanich, ανακοίνωσε ότι η αλλαγή μεγέθους από ένα τρανζίστορ σε άλλο παίρνει δύο έως δυόμισι χρόνια. Ο Krzanich αμφισβήτησε αυτό κατά τη διάρκεια μιας τηλεφωνικής κλήσης από την Intel, λέγοντας ότι οι διαδικασίες παραγωγής δεν έχουν προχωρήσει με τον ίδιο ρυθμό όπως στο παρελθόν.

Ωστόσο, το ITRS πιστεύει ότι αυτό δεν σημαίνει το τέλος της ιδέας πίσω από το νόμο, καθώς οι κατασκευαστές βρίσκουν ολοένα και πιο καινοτόμους τρόπους για να εισαγάγουν περισσότερους διακόπτες σε ένα συγκεκριμένο χώρο. Πάρτε για παράδειγμα την τεχνολογία 3D NAND της Intel, η οποία περιλαμβάνει τη στοίβαξη 32 επιπέδων μνήμης το ένα πάνω στο άλλο για να δημιουργήσετε τεράστιες χωρητικότητες αποθήκευσης.

Τελικές λέξεις και συμπεράσματα

Μέχρι τώρα, ο νόμος του Moore έχει αποδειχθεί σωστός, ξανά και ξανά, και ως αποτέλεσμα έχει από καιρό λεχθεί ότι είναι υπεύθυνος για τις περισσότερες εξελίξεις στην ψηφιακή εποχή, από τους Η / Υ στους υπερυπολογιστές, λόγω του Χρησιμοποιήστε τη βιομηχανία ημιαγωγών για να καθοδηγήσετε τον μακροπρόθεσμο προγραμματισμό και να θέσετε στόχους για έρευνα και ανάπτυξη.

Ο νόμος του Moore είναι νόμος οικονομικών, όχι φυσικός. Υποδεικνύει ότι κάθε νέο τσιπ θα έχει διπλάσιο αριθμό τρανζίστορ και συνεπώς θα υπολογίσει την ικανότητα της προηγούμενης γενιάς για το ίδιο κόστος παραγωγής.

Αυτός ο απλός κανόνας έχει τροφοδοτήσει όλες τις εξελίξεις στην τεχνολογική επανάσταση για πάνω από μισό αιώνα και συνεχίζει να καθορίζει τα συνεχώς διευρυνόμενα όρια της σημερινής τεχνολογίας, επιτρέποντάς μας να πάρουμε ιδέες όπως η τεχνητή νοημοσύνη και τα αυτόνομα οχήματα - και να τα κάνουμε να συμβούν.

Αυτός ο νόμος απέκτησε φήμη επειδή άνθρωποι όπως οι νόμοι που τους επιτρέπουν να προβλέψουν το μέλλον μιας από τις μεγαλύτερες βιομηχανίες του κόσμου, αλλά η φυσική βάση αυτής της αρχής σημαίνει ότι είναι ελαφρώς διαφορετική και λιγότερο αξιόπιστη από πολλούς ανθρώπους πιστεύω.

Οι φυσικοί περιορισμοί στην κατασκευή αυτών των τσιπ θα μπορούσαν εύκολα να ωθήσουν αυτόν τον αριθμό πίσω σε πέντε ή περισσότερα χρόνια, πράγμα που θα ακυρώσει το νόμο του Moore για πάντα.

Πηγή Εικόνες Wikimedia Commons