Альманах "Наследие"

Закон Мура: геометрическая прогрессия технического развития

Каким было и каким будет развитие вычислительной техники? Рассказываем в нашей статье.

Кто ты, Гордон Мур?  Удвоение каждые два года: как действует закон Мура? Что не так с законом Мура?  Микрочипы и будущее

Последние 50 лет мы наблюдаем взрывной рост в сфере вычислительной техники: вокруг нас сейчас не только персональные компьютеры, но и ноутбуки, смартфоны, умные часы, умные счётчики, умные дома. Если раньше компьютеры занимали целые здания, то теперь гораздо более мощные устройства помещаются буквально в карман. 

Гордон Мур
Источник populationmedicine.org // Гордон Мур

Одно из наблюдений, касающихся этого потрясающего прогресса, называется законом Мура и формулируется так: «Количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца». Это замечание говорит нам о постоянном повышении производительности вычислительной техники. Однако ни одна величина в нашем мире не может расти бесконечно долго. Когда этот закон перестанет действовать? И что делать потом? 

Кто ты, Гордон Мур? 

Закон Мура, разумеется, к звукам кошачьих не имеет ровным счётом никакого отношения. Он назван в честь того, кто первым заметил эту закономерность, — американского инженера, предпринимателя и миллиардера Гордона Мура. 

Основатель Intel

Гордон Мур — один из основателей знаменитой компании Intel. В разные времена он был и президентом, и председателем, и CEO этой фирмы, которая занимается разработкой и производством самых разных электронных устройств и компьютерных компонентов. Сегодня в сферу деятельности Intel входят не только микропроцессоры, но и чипы для искусственной памяти и интернета вещей. Считается, что Гордон Мур — один из тех, чья деятельность ускорила приход цифровой эпохи. 

Его карьера началась в тот момент, когда в 1957 году он и ещё семеро инженеров ушли из Shockley Semiconductor Laboratory — предприятия, которое первым стало разрабатывать кремниевые проводники — и основали свою компанию. Спустя 11 лет, в 1968 году, Гордон Мур вместе с коллегой Робертом Нойсом ушли и из этой фирмы и основали ныне всемирно известный Intel.

О сегодняшних флагманах компьютерной техники — суперкомпьютерах — читайте в нашей статье «Суперкомпьютеры: гиперскорости вычислений» 

Когда появился «Закон Мура»?

Свой закон Гордон Мур сформулировал ещё до появления Intel. Это эмпирическое наблюдение он сделал в 1965 году, через шесть лет после изобретения интегральной схемы. Сейчас интегральные схемы, то есть электронные схемы на полупроводниковой подложке, помещённые в некий корпус, в бытовой речи мы чаще называем чипами. Само наблюдение появилось довольно случайно: Мур готовился к выступлению на конференции, анализировал опыт коллег и конкурентов и внезапно вывел эту закономерность.

Закон Мура до 2030
Источник gamerwall.pro // Закон Мура до 2030

Удвоение каждые два года: как действует закон Мура? 

Изначальная закономерность, обнаруженная Муром, заключалась в следующем: инженер увидел, что новые модели микросхем появлялись на рынке примерно через год после предыдущих и каждый раз количество транзисторов в них возрастало приблизительно вдвое. Транзисторы — это полупроводниковые элементы, которые управляют электрическим током; они пришли на смену ламповой технике. 

В 1975 году Гордон Мур скорректировал своё наблюдение, и закон принял то звучание, которое сейчас знает весь мир: «Количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца». 

Старейший и знаменитый журнал «Scientific American» писал в 1983 году по поводу этой закономерности: «Если бы за последние 25 лет авиационная промышленность развивалась столь же стремительно, как вычислительная техника, то Boeing 767 можно было бы приобрести сегодня за 500 долларов и облететь на нём весь земной шар за 20 минут, израсходовав при этом 19 литров горючего. По этой аналогии, хоть и не совсем точной, можно судить о скорости снижения стоимости и энергопотребления, а также о темпах роста быстродействия вычислительных машин». 

Если посмотреть на реальные цифры, то мы увидим, что закон Мура действительно работает и по сей день, и при этом действует удивительно точно. Уменьшение размеров транзисторов позволяет им потреблять меньше тока, что снижает энергопотребление. А увеличение количества транзисторов позволяет увеличивать вычислительные мощности. Вот только до бесконечности ли? 

Что не так с законом Мура? 

О том, что однажды закон Мура потеряет свою силу, говорил и сам Гордон Мур. Он посвятил этой теме свою статью 2003 года под названием «No Exponential Is Forever: But “Forever” Can Be Delayed!», то есть «Никакой экспоненциальный рост не может длиться вечно: но этот момент можно отсрочить!». В ней он признал, что физические величины не могут расти по экспоненте постоянно, и что однажды предел возможного будет достигнут. В 2007 году инженер заявил, что закон его имени скоро перестанет действовать попросту из-за физических ограничений в виде атомарной природы вещества и скорости света.

Долгое время этот закон работал как часы, а развитие техники поражало воображение. Если в 1965 году — тогда, когда Гордон Мур впервые вывел свой закон — в микрочипе было 64 транзистора, то сейчас, спустя примерно семь десятилетий, в некоторых чипах этих транзисторов почти 40 миллиардов! Однако нужно признать, что человечество действительно наткнулось на физические ограничения, связанные с… лазерами. Хотя, казалось бы, причём тут лазеры?

размеры процессора на транзисторах
Источник souz-market.ru // размеры процессора на транзисторах

Лазерные мечи и лазерные лучи

Это не вполне очевидно стороннему наблюдателю, но процессоры для вычислительной техники чаще всего производят именно при помощи лазеров. Упрощённо говоря, луч лазера пропускают через трафарет, и процессор выжигается на кремниевой подложке. Чем меньше длина волны лазерного луча, тем с более высоким разрешением можно печатать. Долгое время индустрия поступала так: как только в производстве достигался предел разрешения лазера, то его меняли на лазер с более короткой длиной волны. 

От длины волны в 436 нанометров — это, кстати, были ещё не лазеры, а ртутные лампы — индустрия постепенно продвинулась до 50 нанометров. Следующим техпроцессом должна была явиться длина волны в 40–45 нанометров. Но тут все производители вычислительной техники наткнулись на то, что теперь они никак не могут обойти оптические ограничения. Именно тогда сам Гордон Мур и сказал, что действие его закона планомерно подходит к концу.

Однако даже в начале 2010-х годов в ноутбуках — ноутбуках, а не в сверхдорогой и технологичной оборонной вычислительной технике! — уже использовалась литография на 32 нанометра. Человечество хитро на выдумки: в ход пошло и экспонирование через воду, которая меняла преломление луча, и множественное экспонирование, и многие другие способы обмануть природу. Но это была не самая большая проблема. 

Паразиты среди нас

Мы все ещё помним времена Covid-19, когда действовал запрет собираться большими группами: в скоплениях людей вирус особенно быстро перепрыгивал с организма на организм. Примерно то же самое стало наблюдаться ещё с начала 2000-х с транзисторами: из-за их уплотнения начались утечки тока, то есть электроны как будто бы «перепрыгивали» с положенного им участка схемы на соседний, а это изрядно портило вычисления. Также из-за этой непреднамеренной миграции электронов увеличивалось паразитное энергопотребление, то есть большая часть энергии расходовалась впустую. 

Фотолитография микросхемы TSMC
Источник yandex.ru // Фотолитография микросхемы TSMC

Именно поэтому затормозился рост тактовых частот процессоров в вычислительной технике, хотя ранее он был примерно таким же, как в случае роста количества транзисторов, то есть увеличивался по экспоненте. Тактовая частота — это количество команд, которые процессор выполняет за секунду. И увеличивать далее это количество команд, кажется, невозможно: электроны то и дело прыгают не туда, куда им положено, скорость падает. Так что же, прогресс останавливается? 

Микрочипы и будущее

На самом деле, конечно, нет. Сейчас человечество, по сути, осознаёт и пытается разобраться в том, что напридумывало за время быстрого и лёгкого развития вычислительной техники. 

Процессор или мозг? 

В последние годы развитие техники обеспечивается не законом Мура, то есть простым увеличением числа транзисторов, а инновациями за пределами действия этого закона. Процессоры делают многоядерными. Вычисления переносят за пределы самих процессоров: например, на видеокарты. Оптимизируют действие не только «железа», но и софта, то есть установленных на компьютер или ноутбук программ. 

Более того, технологические гиганты усиленно работают над тем, чтобы вообще отказаться от принятой изначально концепции центрального процессора. Сейчас многие, в том числе и тот же Intel, пытаются разработать так называемые «асинхронные нейроморфные процессоры». Под сложной формулировкой скрываются процессоры, которые должны работать по образу и подобию человеческого мозга. 

Конец прекрасной эпохи кремния

Скорее всего, мир, каким мы его знали, подходит к концу — кремниевые чипы дальше уменьшать не получится. Минимальный размер кремниевого транзистора известен: это 5 нанометров. И речь здесь не о том, что мы не можем изготовить транзистор поменьше. Речь о том, что меньший транзистор будет бесполезен. Электроны в этот момент станут разгуливать через каналы транзисторов уже совершенно свободно, не обращая внимания ни на какие преграды. А значит, такой транзистор всегда будет занят, и магию вычислений производить не будет.

Микросхема
Источник overclockers.ru

Об одном из вариантов развития вычислительной техники читайте в нашей статье «Вы готовы к революции квантовых компьютеров?» 

Германий, молибден и графен

Возможно, следующее поколение транзисторов будут производить из другого материала — германия. Он обладает в три раза большей электропроводностью, чем кремний. Однако у него меньше термостабильность и хуже теплопроводность, да и встречается он гораздо реже кремния. Для изживания этих пороков германия не так давно придумали сплав — германан. Это тонкая однослойная атомная плёнка, которая проводит ток в десять раз лучше кремния. 

Кроме германия учёные сейчас исследуют и другие элементы на предмет их годности к полупроводниковой службе: например, молибден, который даёт соединение под названием молибденит. Его вообще можно довести до толщины в 0,65 нанометра при полном сохранении полупроводниковых свойств. И что самое удивительное, будущие чипы, возможно, будут создаваться из известного старого, доброго, привычного углерода — точнее, из прогремевшей на весь мир его модификации под названием графен.

Листы графена сворачиваются в трубки, и получаются так называемые углеродные нанотрубки. Это соединение имеет толщину всего лишь в один атом — это раз. И два — электропроводность этих трубок втрое выше, чем у кремния. 

Каким будет будущее? Как скоро мы увидим принципиально новые технические решения и сможем их испытать? Этого никто не знает точно, можно только догадываться. Но мы способны сохранить свое настоящее и прошлое — воспоминания, чувства и переживания по поводу того, что будет завтра и послезавтра. В этом способна помочь надёжная и удобная цифровая капсула времени. Она способна донести до будущих поколений картину сегодняшнего мира, который, возможно, стоит на пороге потрясающих открытий. 

Сохраните свои воспоминания для следующих поколений в надёжной цифровой капсуле времени. Оставьте свои координаты, и наши специалисты свяжутся с вами для бесплатной консультации.

    Поделиться:

    Комментариев: 0 обсудить?

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.

    тринадцать − 2 =

    Подпишитесь, чтобы получать новый контент.

    Мы не спамим! Прочтите нашу политику конфиденциальности, чтобы узнать больше.