Mūra likums — kas tas ir un kā tas mainīja mikroshēmu tehnoloģijas
Mūra likums — kas tas ir un kā tranzistoru eksponenciālā dubultošanās mainīja mikroshēmu tehnoloģijas, veiktspēju, ražošanu un nākotnes izaicinājumus.
Mūra likums nosaka, ka integrālās shēmas tranzistoru skaits divkāršojas aptuveni ik pēc diviem gadiem. Intel vadītājs Deivids Hauss teica, ka šis periods ir "18 mēneši". Viņš paredzēja, ka šajā periodā čipu veiktspēja dubultosies: tas ir vairāk tranzistoru un to ātrdarbības efekta apvienojums. Ar laiku šī vienkāršā novērojuma formulējums kļuva par nozares orientieri ilgtermiņa plānošanā un investīciju lēmumu pamatu.
Vēsture un nozīme
Likums ir nosaukts Intel līdzdibinātāja Gordona Mūra vārdā, kurš šo tendenci aprakstīja savā 1965. gada darbā. Tajā bija teikts, ka integrālās shēmas komponenšu skaits katru gadu no integrālās shēmas izgudrošanas 1958. gadā līdz 1965. gadam ir dubultojies, un tika prognozēts, ka šī tendence turpināsies "vismaz desmit gadus". Viņa prognoze izrādījās ļoti precīza: vairāk nekā pusgadsimtu tranzistoru skaits un ar to saistītā veiktspēja pieauga eksponenciāli, samazinot izmaksas uz tranzistoru un padarot iespējamas jaunas ierīces un lietojumus.
Ko īsti nozīmē "dubultoties"
Ir svarīgi saprast, ka Mūra likums nav fizikas likums, bet gan empīrisks novērojums un rūpniecības vadlīnija. Divkāršošanās attiecas uz tranzistoru skaitu uz vienas mikroshēmas vai uz blīvumu un tam parasti seko efektīva veiktspējas pieauguma vai cenas samazināšanās. Intel vadītāja Deivida Hausa formulējums par 18 mēnešiem papildus vērotajai tendencei pievienoja ideju, ka šīs blīvuma izmaiņas kombinācijā ar ātrdarbības uzlabojumiem noved pie čipu veiktspējas gandrīz dubultošanās.
Kāpēc tas darbojās
- Fiziskā miniaturizācija: litogrāfijas un procesa tehnoloģiju uzlabojumi ļāva samazināt tranzistoru izmērus un palielināt to blīvumu.
- Elektriskā skalošana (Dennard scaling): samazinoties ģeometrijai, samazinājās arī spriegumi un jaudas blīvums, ļaujot paaugstināt takts frekvences bez pārkaršanas (šī skalošana apstājās ap 2000. gadu vidu).
- Rūpniecības organizācija: kopīgas izpētes programmas, tehnoloģiju ceļkartes (piemēram, ITRS) un ražotāju konkurence stimulēja investīcijas līnijās un ražošanas procesa uzlabojumos.
Kā tas ietekmēja ikdienas tehnoloģijas
Daudzu digitālo elektronisko ierīču iespējas ir cieši saistītas ar Mūra likumu: apstrādes ātrums, atmiņas ietilpība, sensori un pat pikseļu skaits un izmērs digitālajās kamerās. Arī tie visi uzlabojas (aptuveni) eksponenciālā tempā. Šis eksponenciālais uzlabojums ir ievērojami palielinājis digitālās elektronikas ietekmi uz pasaules ekonomiku. Mūra likums raksturo tehnoloģisko un sociālo pārmaiņu virzītājspēku 20. gadsimta beigās un 21. gadsimta sākumā.
No 2000. gadu vidus — palēninājums un tehniskās robežas
Ap 2000. gadu vidu daļa no ieguvumiem, ko sniedza tranzistoru miniaturizācija, sāka vājināties. Galvenās grūtības bija:
- Siltuma un jaudas blīvums: tranzistoru samazināšana vairs negarantēja proporcionālu sprieguma samazinājumu, līdz ar to ierīces sāka padegt uz siltuma un enerģijas ierobežojumiem.
- Elektriskā noplūde un uzticamība: plānās izolācijas slāņi un tunelēšanas efekti radīja noplūdes strāvas un cita veida problēmas.
- Ražošanas izmaksas: attīstīt arvien smalkākas litogrāfijas prasīja milzīgas investīcijas ražotnēs, padarot mērogošanu dārgāku.
Rezultātā industrija sāka meklēt citas pieejas: daudzkodolu procesori (lieku aktīvu frekvences vietā centrālo elementu paralelizācija), specializēti akceleratori (piemēram, GPU, TPU), arhitektūras optimizācijas un heterogēna integrācija.
Tehnoloģiskie risinājumi, kas pagarināja Mūra likuma ietekmi
- Jaunas transistoru formas un šūnu dizaini — piemēram, FinFET un vēlāk GAA (gate-all-around)
- Uzlabota litogrāfija — iekļaujot extreme ultraviolet (EUV) tehnoloģiju
- 3D integrācija un slāņu savienojumi (stacking), kas ļauj palielināt blīvumu vertikālajā virzienā
- Chiplet pieeja — mikroshēmas, kas sastāv no vairākām specializētām "daļām", savienotām kopā, lai samazinātu ražošanas izmaksas un palielinātu elastību
Vai Mūra likums ir beidzies?
Daudzi eksperti saka, ka klasiskā Mūra likuma tūlītēja turpināšanās vairs nav iespējama tādā tempā kā pagājušajos gadu desmitos, un rūpniecība 2010. gados un pēc tam redzēja palēninājumu. 2015. gadā Intel paziņoja, ka attīstības temps ir palēninājies. Intel izpilddirektors Braiens Krzaničs (Brian Krzanich) paziņoja, ka "mūsdienās mūsu kadence ir tuvāka divarpus gadiem, nevis diviem". Tomēr tas nenozīmē tehnoloģisku stagnāciju — uzlabojumi notiek, tikai biežāk tie ir arhitektūras, programmatūras un integrācijas līmeņa risinājumi, ne tikai tranzistoru blīvuma dubultošana.
Ekonomiskā un sociālā ietekme
Mūra likums ir veicinājis pieejamu skaitļošanas jaudu un plašāku digitālo tehnoloģiju izplatību. Tas ir palīdzējis attīstīt mobilās ierīces, internetu, datu centrus, mašīnmācību un daudzus citus laukus. Tajā pašā laikā nominālā regresija uz vienu tranzistoru bieži nozīmē arī to, ka nozarei ir jāpielāgojas jauniem biznesa modeļiem un investīciju plāniem, jo ražošanas izmaksas un izpētes izdevumi pieaug.
Nākotnes virzieni
Turpmākajā nākotnē iespējamie ceļi, kas papildinās vai daļēji aizstās klasisko Mūra likumu, ir:
- Materiālu un fundamentālu ierīču inovācijas (piemēram, 2D materiāli, kvantu ierīces)
- Heterogēna integrācija — dažādu tehnoloģiju (sensoru, atmiņu, loģiku) tuvāka apvienošana
- Programmatūras un arhitektūras optimizācija — efektīvāka izmantošana pieejamās skaitļošanas jaudas
- Kvantu skaitļošana un citas neklasiska skaitļošanas paradigmas
Kopumā Mūra likums joprojām ir svarīgs koncepts, kas raksturo tehnoloģiju attīstības tempu un nozares mērķus, taču tas ir pārvērties no vienkārša empirical likuma par tranzistoru dubultošanās ātrumu par plašāku industrijas plānošanas un inovāciju koncepciju. Lai gan blīvuma dubultošana vairs nenotiek tik ātri kā agrāk, inženieri un pētnieki pastāvīgi atrod jaunus veidus, kā palielināt veiktspēju, samazināt izmaksas un radīt jaunas funkcionalitātes.
Procesora tranzistoru skaita grafiks pret ieviešanas datumiem. Vertikālā skala ir puslogaritmiska; līnija atbilst eksponenciālai izaugsmei, kad tranzistoru skaits divkāršojas ik pēc diviem gadiem.
1982. gada portatīvais dators Osborne un 2007. gada Apple iPhone. Osborne Executive sver 100 reižu vairāk, ir gandrīz 500 reižu lielāks pēc tilpuma, maksā aptuveni 10 reižu dārgāk (ņemot vērā inflāciju), un tā takts frekvence ir 1/100 tālruņa takts frekvences.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir Mūra likums?
Atbilde: Mūra likums nosaka, ka tranzistoru skaits integrālās shēmās dubultojas aptuveni ik pēc diviem gadiem.
J: Kurš prognozēja šo periodu, kad mikroshēmu veiktspēja divkāršosies?
A: Intel vadītājs Deivids Hauss prognozēja, ka šajā periodā mikroshēmas veiktspēja dubultosies.
J: Kad šī tendence tika aprakstīta pirmo reizi?
A: Pirmo reizi šo tendenci aprakstīja Intel dibinātājs Gordons Mūrs (Gordon Moore) 1965. gada rakstā.
J: Cik precīzas bija prognozes?
A: Prognoze ir izrādījusies ļoti precīza, un tā ir izmantota, lai vadītu ilgtermiņa plānošanu un noteiktu mērķus pētniecībai un attīstībai pusvadītāju nozarē.
J: Kāda ir Mūra likuma ietekme uz digitālo elektroniku?
Mūra likums ir veicinājis eksponenciālus apstrādes ātruma, atmiņas ietilpības, sensoru un pat pikseļu skaita un izmēra uzlabojumus digitālajās kamerās, kas ir ievērojami palielinājis digitālās elektronikas ietekmi uz pasaules ekonomiku.
J: Cik ilgi šī tendence ir turpinājusies?
A: Šī tendence ir turpinājusies vairāk nekā pusgadsimtu.
J: Vai pēdējā laikā ir notikušas kādas izmaiņas attiecībā uz to, cik bieži tiek dubultotas detaļas integrālās shēmās?
A: Jā - 2015. gadā Intel norādīja, ka izstrādes temps ir palēninājies, un izpilddirektors Braiens Krzaničs (Brian Krzanich) paziņoja, ka "šodien mūsu izstrādes temps ir tuvāk divarpus gadiem nekā diviem".
Meklēt