Spis treści:
W ciągu kilku ostatnich dziesięcioleci świat technologii przeszedł niezwykłą rewolucję, która zmieniła nasze życie na wiele sposobów. W centrum tej rewolucji leży jedna zasada, która wydaje się nieprzerwanie towarzyszyć rozwojowi technologicznemu i wpływać na nasze codzienne doświadczenia – Prawo Moore’a.
Pojęcie to odnoszące się do liczby tranzystorów w układach scalonych, zapoczątkowane zostało przez współzałożyciela Intel Corporation, Gordona Moore’a już w 1965 roku i towarzyszy technologii po dziś dzień. Jednak w ostatnich latach pojawia się coraz więcej głosów i teorii twierdzących, że czasy świetności prawa Moore’a dobiegły końca.
Dlatego w tym artykule przeanalizujemy, jak prawo Gordona Moore’a wpłynęło na rozwój komputerów, smartfonów, a także na dziedziny nauki takie jak, medycyny, fizyka i wiele innych. Poza tym spróbujemy odpowiedzieć na pytania – Czy nadal możemy oczekiwać, że postęp technologiczny będzie przyspieszał w tempie przewidzianym przez współzałożyciela Intela? Czy są ograniczenia i wyzwania, które mogą wpłynąć na to zjawisko? Zapraszam do bliższego przyjrzenia się prawu Moore’a, zrozumienia jego wpływu i znaczenia, a także refleksji nad bez wątpienia cyfrową przyszłością.
Prawo Moore’a – wiedza a posteriori
Prawo Moore’a, nazwane tak na cześć Gordona Moore’a, współzałożyciela firmy Intel i jednego z pionierów przemysłu mikroprocesorowego, to empiryczna zasada, która odnosi się do tempa rozwoju technologicznego w dziedzinie elektroniki. Gordon Moore po raz pierwszy sformułował tę zasadę w 1965 roku na łamach magazynu „Electronics”, opisując obserwację, że liczba tranzystorów w układach scalonych podwaja się co około 18-24 miesiące. W praktyce oznacza, że co kilka lat nowe chipy zawierają dwa razy więcej tranzystorów niż ich poprzednicy.
Prawo Moore’a interpretowane jest też często jako twierdzenie, że moc obliczeniowa komputerów i urządzeń elektronicznych będzie rosła w tempie wykładniczym, co z kolei prowadzi do coraz szybszego, bardziej wydajnego i mniejszego sprzętu elektronicznego. Teza ta wynika z początkowych obserwacji Gordona Moore’a, które ukierunkowane były wyłącznie na przemysł komputerowy, ale z czasem okazało się, że wzrost liczby tranzystorów w układach scalonych jest niemal identyczny dla całej branży półprzewodników, wpływając na rozwój wielu dziedzin, takich jak telekomunikacja, medycyna, przemysł ciężki, a nawet energetyka. Trzeba jednak pamiętać, że między twierdzeniem o liczbie elementów w chipie, a mocą obliczeniową nie można stawiać znaku równoważności. Moc obliczeniowa zależy od bardzo wielu czynników, między innymi architektury jednostki centralnej, o której przygotowałem już jeden materiał. Mimo że w początkowej fazie rozwoju technologicznego większa liczba tranzystorów oznaczała większą wydajność, to od wielu lat, nie jest to już regułą.
Można bez wątpienia powiedzieć, że prawo Moore’a stało się swego rodzaju paradygmatem dla przemysłu technologicznego i kierunkowskazem dla firm i inżynierów pracujących nad rozwojem nowych technologii. Jednak po ponad półwieczu od sformułowania prawa Moore’a, pojawiają się pytania dotyczące jego dalszej ważności i ograniczeń w obliczu coraz bardziej zaawansowanych technologii.
Od dwóch tysięcy do 10 Miliardów
Historia Prawa Moore’a to z jednej strony historia przewidywań i trafnych obserwacji, które dały początek rewolucji technologicznej, a z drugiej strony historia jednego z najważniejszych myślicieli w dziedzinie elektroniki, który w dużej mierze potencjałem firmy Intel uczyniła swoje przewidywania rzeczywistością. To również przykład, jak jedna koncepcja może wywrzeć ogromny wpływ na nasze codzienne życie i kształtować rozwój technologiczny przez kolejne dziesięciolecia.
Na przestrzeni lat układy scalone przeszły fascynującą ewolucję, która była główną siłą napędową rozwoju technologii mikroelektronicznych, poza tym wywarła ona ogromny wpływ na rozwój komputerów oraz innych elektronicznych sprzętów codziennego użytku. W latach 60. i 70. XX wieku układy scalone były na swoim wczesnym etapie rozwoju. Pierwsze konstrukcje były stosunkowo proste i skromne pod względem liczby tranzystorów. Przykładem może być tutaj, pierwszy komercyjnie dostępny mikroprocesor – Intel 4004, wprowadzony w 1971 roku, który składał się z zaledwie około 2300 tranzystorów. Poza tym chipy tego okresu miały ograniczone zastosowania, często znajdowały się wyłącznie w sprzęcie wojskowym i przemysłowym. Jednak te wczesne kroki były kluczowe dla dalszego rozwoju mikroelektroniki.
Prawdziwą rewolucją, która urzeczywistniła przewidywania Gordona Moore’a były lata 80. Okres ten możemy określić jako eksplozję mocy obliczeniowej. Pojawiły się mikroprocesory, takie jak Intel 8086, które zbudowane zostały dzięki setkom tysięcy tranzystorów. Był to okres, w którym komputery osobiste zaczęły stawać się coraz bardziej dostępne dla szerokiego grona użytkowników, co zapoczątkowało cyfrową rewolucję.
Wraz z rozwojem mikroelektroniki, układy scalone stawały się znacznie bardziej złożone i rozbudowane, zawierając miliony, a nawet miliardy tranzystorów na pojedynczym krzemowym rdzeniu. Obecne jednostki centralne mogą być zbudowane nawet z ponad 10 miliardów tranzystorów, czego przykładem są procesory Intel i9 13 i 14 generacji.
Jednym z kluczowych aspektów związanych z rozwojem układów scalonych poza postępującą rozbudową jest też miniaturyzacja. Gdyby nie ten proces dzisiejsze chipy byłyby znacznie większe, pod względem powierzchni krzemowych rdzeni, a rozwój technologiczny dyktowany przez prawo Moore’a byłby prawdopodobnie niemożliwy. W miarę jak technologia postępowała, rozmiar tranzystorów zmniejszał się z mikrometrów na poziom nanometrów. Pozwoliło to umieszczać jeszcze więcej tego typu elementów na pojedynczym krzemowym podłożu, co wpłynęło na zwiększenie wydajności i obniżenie kosztów produkcji. Zaryzykowałbym stwierdzenie, że miniaturyzacja była głównym i niezbędnym czynnikiem, który pozwolił na istnienie prawa Moore’a, choć w miarę zbliżania się do granic technologicznych pojawiają się kolejne wyzwania, które w pewnym momencie mogą zatrzymać, a przynajmniej znacznie wyhamować dalsze skalowanie.
Trzymaj tempo – wyzwania branży półprzewodnikowej
Obecni projektanci układów scalonych i inżynierowie napotykają na coraz większe wyzwania w dążeniu do utrzymania tempa wzrostu liczby tranzystorów w układach scalonych, zgodnie z przewidywaniami zawartymi w prawie Moore’a. Choć to proroctwo sprawdzało się przez dziesięciolecia, to w ostatnich latach jego realizacja staje się coraz trudniejsza ze względu na pewne fundamentalne przeszkody.
Głównym wyzwaniem, o którego znaczeniu już wspomniałem jest miniaturyzacja. Tranzystory na układach scalonych stały się już tak małe, że powoli zbliżamy się do fizycznych granic, co sprawia, że dalsze zmniejszanie rozmiaru staje się coraz trudniejsze i kosztowne. Ponadto, wraz ze zmniejszaniem rozmiarów tranzystorów pojawiają się wyzwania związane z fizyką, takie jak efekty tunelowania, które mogą wpłynąć na stabilność i wydajność układów.
Równie ważny jest też wzrost zapotrzebowania na energię. W miarę jak liczba tranzystorów w układach rośnie, tak również rośnie zużycie energii. Konieczność zapewnienia odpowiedniego chłodzenia oraz zarządzania temperaturą staje się coraz bardziej krytyczna. Obniżenie zużycia energii staje się priorytetem, zarówno z punktu widzenia wydajności, jak i zrównoważonego rozwoju.
Wspomnieć trzeba też, że obecne technologie produkcji układów scalonych wykorzystują materiały i procesy, które także docierają do swoich granic. Konieczne jest opracowanie nowych materiałów i technologii produkcji, które umożliwią dalszy rozwój układów scalonych.
Wreszcie, z punktu widzenia ekonomicznego, utrzymanie tempa wzrostu zgodnie z prawem Moore’a wymaga znacznego nakładu finansowego na badania i rozwój. Półprzewodnikowi giganci muszą inwestować znaczące środki w nowe technologie, co sprawia, że konkurencja staje się coraz bardziej zacięta.
Jednak mimo wyzwań, projektanci chipów nadal pracują nad innowacyjnymi rozwiązaniami. Przykładem mogą być tutaj, tranzystory na bazie nanorurek węglowych oraz techniki produkcji, które mogą w przyszłości umożliwić dalszą miniaturyzację. Ponadto, ciągle rozwijane są strategie zarządzania energią i chłodzenia, tak aby ograniczyć zużycie prądu i poprawić wydajność układów. Bez wątpienia wyzwania i problemy są znaczne, ale bez ich rozwiązania tempo rozwoju zgodne z prawem Moore’a nie będzie możliwe.
Czy prawo Moore’a nadal obowiązuje?
Nie ulega wątpliwości, że prawo Moore’a miało się całkiem dobrze przez dziesięciolecia, jednak w ostatnich latach coraz częściej pojawiają się pytania, czy prawo Moore’a obowiązuje dzisiaj lub też, kiedy przestanie ono obowiązywać. Temat ten stanowi źródło wielu dyskusji i refleksji wśród ekspertów i naukowców z dziedziny technologii. Jednak odpowiedź na to pytanie nie jest do końca jednoznaczna, zauważyć można pewne znaki wskazujące na to, że tempo wzrostu mocy obliczeniowej może w niedalekiej przyszłości zwolnić. Niemniej jednak, jak już wcześniej wspomniałem, moc obliczeniowa jest jedynie jednym z aspektów prawa Moore’a i wciąż można dostrzec wpływ teorii współzałożyciela Intela na dzisiejsze układy scalone.
W ostatnich latach zauważalne jest wyhamowanie tempa wzrostu liczby tranzystorów w krzemowych rdzeniach, głównie ze względu na fizyczne ograniczenia związane z miniaturyzacją oraz rosnące koszty produkcji. Aktualnie najbardziej zaawansowane układy scalone powstają w litografii 3nm i warto pamiętać, że nie jest to rozmiar pojedynczego tranzystora, bo ten wynosi około 48nm. Technologiczni innowatorzy nadal pracują nad nowymi rozwiązaniami, takimi jak technologia trójwymiarowej integracji układów scalonych (3D ICs) czy materiały odbiegające od tradycyjnych krzemowych tranzystorów, być może pozwolą one kontynuować znane z wcześniejszych lat tempo wzrostu technologicznego.
Choć prawo Moore’a może nie być już tak jednoznacznie obowiązujące, jak w latach poprzednich, to wciąż stanowi kierunkowskaz dla rozwoju technologii. Stwierdzenia, że jest ono martwe na podstawie jednego układu graficznego, co miało miejsce w ubiegłym roku (2022) na konferencji Nvidi, jest według mnie jedynie zabiegiem marketingowym. O tym, czy prawo Moore’a przestało obowiązywać, będziemy mogli powiedzieć dopiero za kilka lat, jeśli trend hamujący się utrzyma. Choć może być też całkiem inaczej i za jakiś czas powstanie coś, czego obecnie jeszcze nie znamy coś, co w świecie półprzewodników wywoła kolejną rewolucję, której efektem będzie wzrost potencjału układów scalonych, którego historia jeszcze nie widziała.
Źródła:
https://en.wikipedia.org/wiki/Moore%27s_law
https://en.wikipedia.org/wiki/Amdahl%27s_law
https://builtin.com/hardware/moores-law
https://www.wired.com/story/moores-law-really-dead/
https://www.investopedia.com/terms/m/mooreslaw.asphttps://ourworldindata.org/moores-law
https://www.britannica.com/technology/Moores-law
https://en.wikipedia.org/wiki/3_nm_process
https://www.oregonlive.com/business/2023/03/gordon-moore-visionary-intel-co-founder-who-brought-the-company-to-oregon-dies-at-94.html
https://www.cnet.com/tech/computing/intel-will-outpace-moores-law-ceo-pat-gelsinger-says/
