Kaj je zakon Moora in čemu služi?

Mooreov zakon se nanaša na opazovanje soustanovitelja podjetja Intel Gordona Moora leta 1965, v katerem je odkril, da se je število tranzistorjev na kvadratni palec v integriranih vezjih iz leta v leto podvojilo.

Mooreov zakon napoveduje, da bo ta trend ostal nedotaknjen še prihodnja leta. Čeprav se je stopnja zmanjšala, se število tranzistorjev na kvadratni palec približno vsako leto in pol podvoji. Ta se uporablja kot trenutna definicija Mooreovega zakona.

Kazalo vsebine

Poenostavljena različica tega zakona določa, da se bosta hitrosti procesorja ali skupna računalniška moč za računalnike podvojili vsaki dve leti. Hiter pregled med tehniki iz različnih računalniških podjetij pokaže, da izraz ni zelo priljubljen, vendar je pravilo še vedno sprejeto.

Če bi pregledali hitrosti procesorjev od leta 1970 do 2018 in nato spet v letu 2019, bi si lahko mislili, da je zakon dosegel svojo mejo ali se približuje. V sedemdesetih letih so se hitrosti procesorja gibale od 740 KHz do 8 MHz, vendar je zakon dejansko natančnejši za tranzistorje kot za hitrost.

Količina računalniške moči, ki jo lahko zdaj uporabimo na najmanjših napravah, je v primerjavi s tistimi, ki bi jih lahko dosegli pred desetletjem, nekoliko izjemna.

Če pogledamo nazaj, tudi pet let ali več, bi bil računalnik, ki je bil takrat najboljši, v primerjavi s trenutnim računalnikom smatran kot zastarel.

To je mogoče samo zato, ker lahko proizvajalci čipov vsako leto znatno povečajo število tranzistorjev na čipu, saj se napredek pri raziskavah čipov izboljšuje.

Moorejev zakon je, da računalniki, računalniško podprte komponente in računalniška moč sčasoma postajajo manjši in hitrejši, saj postanejo tranzistorji v integriranih vezjih učinkovitejši.

Tranzistorji so preprosta elektronska izklopna stikala, integrirana v mikročipe, procesorje in majhna električna vezja. Hitreje ko obdelujejo električne signale, bolj učinkovit postane računalnik.

Sčasoma so se znižali tudi stroški teh računalnikov z večjo zmogljivostjo, na splošno približno 30 odstotkov na leto. Ko so oblikovalci strojne opreme povečali zmogljivost računalnikov z bolje integriranimi vezji, so proizvajalci lahko ustvarili boljše stroje, ki bi lahko avtomatizirali določene procese. Ta avtomatizacija je ustvarila izdelke za nižje cene za potrošnike, saj je strojna oprema ustvarila nižje stroške dela.

Mooreov zakon v današnji družbi

Petdeset let po Mooreovem zakonu sodobna družba vidi desetine koristi, ki jih ta zakon izpostavlja. Mobilne naprave, kot so pametni telefoni in namizni računalniki, ne bi delovale brez zelo majhnih procesorjev. Manjši, hitrejši računalniki izboljšajo prevoz, zdravstveno varstvo, izobraževanje in proizvodnjo energije. Skoraj vsak vidik visokotehnološke družbe ima koristi od koncepta Moore's Act, ki se uveljavlja v praksi.

Danes so vsi potrošniški predelovalci izdelani iz silicija, drugega najbolj obilnega elementa v Zemljini skorji, po kisiku. Toda silicij ni popoln prevodnik in omejitve mobilnosti elektronov, ki jih nosi, trdo omejujejo, kako gosto lahko spakirate silicijeve tranzistorje.

Vendar poraba energije ni le velika težava, ampak tudi učinek, imenovan kvantni tunel, lahko povzroči težave pri zadrževanju elektronov, ki jih presega določen prag debeline.

Silicijski tranzistorji trenutno dosegajo 14 nanometrov, in čeprav bo nekaj modelov 10-nanometrskih čipov kmalu prišlo na trg, je bilo sklenjeno, da bodo podjetja morala dalj časa ravnati v skladu z Mooreovim zakonom. ustvarite novejše in boljše materiale, ki bodo temelj računalnikov nove generacije.

Mooreov zakon v prihodnosti

Zahvaljujoč nanotehnologiji so nekateri tranzistorji manjši od virusa. Te mikroskopske strukture vsebujejo popolnoma usklajene molekule silicija in ogljika, ki pomagajo hitreje premikati elektriko po tokokrogu.

Sčasoma temperatura tranzistorjev onemogoča ustvarjanje manjših tokokrogov, ker je za hlajenje tranzistorjev potrebno več energije kot tista, ki gre skozi tranzistorje. Strokovnjaki dokazujejo, da bi morali računalniki nekje v naslednjih letih doseči fizične meje Mooreovega zakona. Ko se to zgodi, bodo računalniški znanstveniki morali preučiti povsem nove načine ustvarjanja računalnikov.

Aplikacije in programska oprema bi lahko v prihodnosti izboljšali hitrost in učinkovitost računalnikov, ne pa fizičnih procesov. Oblačnost, brezžična komunikacija, internet stvari in kvantna fizika bi prav tako lahko igrali pomembno vlogo pri inovacijah na področju informacijske tehnologije.

Napredek pri podvojitvi števila vezij se je upočasnil in integrirana vezja ne morejo biti veliko manjša, saj se tranzistorji približajo velikosti atoma.

V nekem trenutku v prihodnosti lahko napredek programske ali strojne opreme ohrani sanje o Mooreovem zakonu. Vendar se zdi, da je računalniška industrija pripravljena preusmeriti na drug tečaj, ki bo napredoval v nekaj letih.

Napredek Mooreovega zakona

Čeprav je Mooreov zakon to govoril vsaki dve leti, je to hitro povečanje tehnološke proizvodnje skrajšalo obdobje v glavah tehnikov in uporabnikov.

Omejitev, ki obstaja, je, da ko bo mogoče tranzistorje ustvariti tako majhne kot atomske delce, potem na trgu CPU ne bo več prostora za rast hitrosti.

Moore je opozoril, da se je skupno število komponent v teh vezjih vsako leto približno podvojilo, zato je to letno podvajanje podaljšal na naslednje desetletje in ocenil, da bo mikro vezje iz leta 1975 vsebovalo vrtoglavih 65.000 komponent na čip.

Leta 1975, ko se je stopnja rasti začela upočasnjevati, je Moore revidiral svoj dveletni časovni okvir. Njegov spremenjeni zakon je bil nekoliko pesimističen; Približno 50 let po letu 1961 se je število tranzistorjev približno vsakih 18 mesecev podvojilo. Nato so revije redno navajale Mooreov zakon, kot da gre za tehnološki zakon z varnostjo Newtonovih zakonov gibanja.

Ta dramatična eksplozija v kompleksnosti tokokroga je bila mogoča zaradi vse večjega števila tranzistorjev v desetletjih.

Karakteristike tranzistorjev, ki merijo manj kot mikron, so bile dosežene v osemdesetih letih prejšnjega stoletja, ko so čipi z dinamičnim pomnilnikom z naključnim dostopom (DRAM) začeli ponujati zmogljivosti za shranjevanje v megabajtih.

Na zori 21. stoletja so se te lastnosti približale 0, 1 mikrona, kar je omogočilo izdelavo gigabajtnih pomnilniških čipov in mikroprocesorjev, ki delujejo na gigaherčnih frekvencah. Mooreov zakon se je nadaljeval v drugem desetletju 21. stoletja z uvedbo tenzometerskih tridimenzionalnih tranzistorjev.

Bližnji konec Mooreovega zakona

Ker Mooreov zakon predlaga eksponentno rast, je malo verjetno, da bi se nadaljeval v nedogled. Večina strokovnjakov pričakuje, da bo Mooreov zakon trajal še dve desetletji. Nekatere raziskave so pokazale, da bi lahko leta 2018 dosegli fizične omejitve.

Po nedavnem poročilu Mednarodnega časovnega načrta za polprevodnike (ITRS), ki vključuje velikanke čipov, kot sta Intel in Samsung, bi tranzistorji lahko dosegli točko, ko je do leta 2021 ne bi mogli še zmanjšati. Družbe trdijo, da bi potem ne bo več ekonomsko izvedljivo, da bi jih naredili manjše, končno pa bo končal Mooreov zakon.

To pomeni, da čeprav bi lahko fizično postali manjši, bi teoretično dosegli tisto, kar ITRS imenuje "ekonomski minimum", kar pomeni, da bi to storilo samo stroške, ki bi jih omejili.

Moorejeva teorija ni prvič postavljena pod vprašaj. Lani je izvršni direktor Intela Brian Krzanich sporočil, da za spreminjanje velikosti enega tranzistorja v drugega traja dve do dve leti in pol. Krzanich je to vprašal med klicem za zaslužek Intel, češ da proizvodni procesi niso napredovali z enako hitrostjo kot v preteklosti.

Vendar ITRS meni, da to ne pomeni konca koncepta zakona, saj proizvajalci najdejo vedno bolj inovativne načine za uvedbo več stikal v danem prostoru. Vzemimo za primer Intelovo tehnologijo 3D NAND, ki vključuje zlaganje 32 plasti pomnilnika drug na drugega, da ustvarite ogromne zmogljivosti za shranjevanje.

Zaključne besede in zaključek

Do zdaj se je Mooreov zakon vedno znova izkazal za pravilnega, zato je že dolgo rečeno, da je odgovoren za večino napredka v digitalni dobi, od osebnih računalnikov do superračunalnikov. Uporabite v industriji polprevodnikov za vodenje dolgoročnega načrtovanja in postavljanje ciljev za raziskave in razvoj.

Mooreov zakon je ekonomski, ne fizični. Nakazuje, da bo imel vsak novi čip dvakrat več tranzistorjev in bo zato izračunaval zmogljivost prejšnje generacije za iste proizvodne stroške.

To preprosto pravilo je spodbudilo ves napredek tehnološke revolucije že več kot pol stoletja in še naprej določa vedno večje meje današnje tehnologije, kar nam omogoča, da vzamemo koncepte, kot sta umetna inteligenca in avtonomna vozila - in jih uresničimo.

Ta zakon je dobil razvitost, ker imajo ljudje radi zakone, ki jim omogočajo, da napovedujejo prihodnost ene največjih svetovnih panog, vendar fizična osnova tega načela pomeni, da je nekoliko drugačen in manj zanesljiv kot mnogi verjeti.

Fizične omejitve pri ustvarjanju teh čipov bi to številko zlahka potisnile na pet let ali več, kar bi za vedno razveljavilo Mooreov zakon.

Izvorne slike Wikimedia Commons