Moorov zákon

Moorov zákon je empirické pravidlo, že zložitosť integrovaných obvodov (počet tranzistorov integrovaných na nich) sa zdvojnásobuje približne každé dva roky.

Počty tranzistorov v mikroprocesoroch v závislosti od dátumu ich uvedenia na trh. Trendová smernica (priamka, ktorá na obrázku nie je znázornená) potvrdzuje Moorov zákon - zdvojnásobenie počtu tranzistorov každé dva roky. Os y je logaritmická, takže ide o exponenciálny rast.

Význam a dôsledky

Zákon sformuloval v roku 1965 Gordon E. Moore, zakladateľ firmy Fairchild Semiconductor a neskorší spoluzakladateľ firmy Intel. V článku z roku 1965[1] napísal, že každý rok dochádza k zdvojnásobeniu počtu komponentov na jeden integrovaný obvod a predpokladá, že táto miera rastu bude pokračovať aspoň ďalšie desaťročie. V roku 1975 (presne po 10 rokoch ale už vo firme Intel) s výhľadom na ďalšie desaťročie, revidoval svoju prognózu na zdvojnásobenie len každé dva roky (bianuálne). [2]

Moorova predpoveď sa ukázala ako správna už po niekoľko desaťročí a používa sa v priemysle polovodičov na usmernenie dlhodobého plánovania a na stanovenie cieľov výskumu a vývoja. Pokroky v oblasti digitálnej elektroniky sú silne prepojené s Morovým zákonom: ceny mikroprocesorov pri zohľadnení kvality[3], kapacita pamäte, senzorov a počet pixelov v digitálnych fotoaparátoch sa tiež zdvojnásobuje približne bianuálne.

Gordon Moore v roku 2004

Druhý Moorov zákon (alebo Rockov zákon)

Podľa Moorovho zákona náklady na jednotkový počítačový výkon (ang. computing power) pre spotrebiteľa klesajú, avšak náklady výrobcov majú opačný trend: náklady na výskum, vývoj, výrobu a testovanie sa pri každej novej generácii čipov neustále zvyšujú. Rastúce výrobné náklady sú dôležitým faktorom pri dodržiavaní Moorovho zákona. To viedlo k formulácii Moorovho druhého zákona, tiež nazývaného Rockov zákon, ktorý hovorí, že kapitálové náklady na výrobu polovodičových súčiastok sa časom exponenciálne zvyšujú. Podľa Artura Rocka (investor, ktorý podporoval osem inžinierov vrátane Moora, aby odišli zo Shockley Semiconductor Lab a stali sa zakladajúcimi výskumnými a vývojovými pracovníkom v novej spoločnosti Fairchild Semiconductor) náklady na výrobu polovodičových čipov sa každé štyri roky zdvojnásobujú.[4] Pravdivosť formulácie tohto zákona sa postupne overuje, aj keď koncom 90. rokoch minulého storočia rast nákladov sa spomalil a blížil sa k dosiahnutiu konštantných nákladov. V roku 2003 stála továreň na výroba nového čipu približne 3 miliardy dolárov[4] a v roku 2011 spoločnosť Intel vyčlenila 5 miliárd dolárov na novú továreň Fab 42.[4] Fabrika Samsungu v roku 2015, ktorá začala vyrábať v 2017, stála približne 14 miliárd dolárov.[5] Z dynamiky vývoja[6] sa ukazuje, že až do roku 2025 je zákon platný a to s relatívne vysokou mierou presnosti. Taiwanská firma TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) v roku 2020 už vyrábala 7nm aj 5nm čipy. Intel si nechal vyrábať v roku 2021 15% až 20% čipov vo Faboch TSMC a UMC.[7] Avšak aj AMD a Apple vyrába u TSCM.[7] Dokonca Apple je jeden z hlavných zákazníkov TSMC. Technológiu 3nm plánuje zaviesť TSMC počas druhej polovice roka 2022.[7] TSMC technologicky konkuruje len Samsung. Obidve firmy však v roku 2021 majú zatiaľ problémy s technológiou 3nm.[8]

Zdroje umožňujúce platnosť Moorovho zákona

V roku 1995 Gordon Moore v rozhovore uviedol, že toto (jeho) pravidlo nemôže fungovať v neobmedzenej mierke: "Tak to nemôže pokračovať navždy. Exponenciálna povaha je taká, že prerastie všetky limity a potom nastane pohroma ". Tiež poznamenal, že tranzistory dosiahnu limitu miniaturizácie (zmenšovania) na atomárnej úrovni, voľne preložené ako: "Z hľadiska veľkosti tranzistorov môžete vidieť, že sa blížime rozmermi k veľkosti atómov, čo sa stáva hlavnou bariérou".

Základným faktorom umožňujúcim dlhodobé zvyšovanie počtu tranzistorov integrovaných v integrovanom obvode je technologický pokrok pri ich výrobe, ktorý umožňuje zvyšovať veľkosť čipu a znižovať rozmery jednotlivých integrovaných súčiastok (tranzistorov).

Najstaršou kľúčovou inováciou bolo vynájdenie integrovaného obvodu (ang. Integrated Circuit - IC), čo bol vlastne dôvod vzniku Moorovho zákona. IC (na germániu) bol vynájdený Jackom Kilbym v spoločnosti Texas Instruments v roku 1958, po ktorom nasledoval vynález kremíkového IC Robertom Noyceom vo Fairchild Semiconductor v roku 1959. Platnosť Moorovho zákona stále nekončí, napriek tomu, že v roku 2015 vtedajší šéf Intelu Brian Krzanich povedal, že tempo uvádzania nových verzií procesorov sa pretiahlo na dva a pol roka.

Súčasné inovácie prebiehajú predovšetkým v samotnom procese výroby najčastejšie využívaných IC , teda proces na vytvorenie polovodičových zariadení typu MOSFET (tranzistor riadený poľom s hradlovou oxidovou vrstvou) používaných v integrovaných obvodoch (IC), ktoré sa vyskytujú v každodenných elektrických a elektronických zariadeniach. Je to viacstupňová postupnosť krokov fotolitografického a chemického spracovania (ako je povrchová pasivácia a tepelná oxidácia), počas ktorých sa postupne vytvárajú elektronické obvody na doštičke (ang. wafer) vyrobenej z polovodičového materiálu, najčastejšie kremíka. Celý výrobný proces, od začiatku po zabalenie obvodov (ang. chip), trvá šesť, osem až 15 týždňov, pričom súčasným priemyselným priemerom je 11–13 týždňov (3 až 4 mesiace) a vykonáva sa vo vysoko špecializovaných zariadeniach označovaných ako foundries alebo fabs.

Výroba v moderných výrobných zariadeniach je úplne automatizovaná a vykonáva sa v hermeticky utesnenom dusíkovom prostredí, aby sa zlepšil výnos (výťažnosť: počet správne pracujúcich čipov k celkovému počtu čipov) pomocou špeciálnych obalov (FOUP) a automatizovaných systémov manipulácie s materiálom, ktoré sa starajú o prepravu waferov medzi strojmi.

Porovnanie rozmerov polovodičových spojov s mikroskopickými objektami (stafylokok, spermatozoid, červená krvinka a HIV vírus).

Podľa priemyselného štandardu je každá generácia procesu výroby polovodičov, známa tiež ako „technologický uzol“, označená minimálnou veľkosťou procesu (aký najmenší prvok je možné vyrobiť tak aby celý obvod pracoval spoľahlivo). "Technologické uzly", tiež známe ako „procesné technológie“ alebo jednoducho „uzly“ (ang. nod), sa zvyčajne označovali veľkosť dĺžky hradla tranzistora v nanometroch (alebo predtým v mikrometroch). Procesor Intel 4004 v roku 1971 obsahoval 2 300 tranzistorov. a bol vyrobený technológiou 10 mikrometrov (pozri obrázok). Od roku 2009 sa však „uzol“ stal názvom aj pre marketingové účely, ktorý označuje nové generácie technológií bez vzťahu k dĺžke hradla, rozostupu kovu alebo rozostupu brány.

V roku 2019 procesory AMD Epyc majú vyše 19 miliárd tranzistorov. Intel v posledných rokoch počty tranzistorov vo svojich čipoch nezverejňuje.[9]

Polovodičový priemysel bol vždy extrémne kapitálovo náročný avšak neustále klesali výrobné náklady na jeden tranzistor. Konečné limity rastu priemyslu tak obmedzí maximálne množstvo kapitálu, ktoré možno investovať do nových produktov; v určitom okamihu sa Rockov zákon dostane do konfliktu s Moorovým zákonom, čo môže byť relevantnejšie ako obmedzenie atomárnou blízkosťou.

Exponenciálny rast počtu súčiastok v pomere k ich cene prebiehal zhruba rovnakým spôsobom pred integrovanými obvodmi. Ray Kurzweil, známy futurológ s rakúskymi koreňmi, tvrdí, že Moorov zákon je až piatym paradigmatom dokazujúcim exponenciálny rast v oblasti výpočtovej techniky. Pred integrovanými obvodmi vykazovali podobné parametre správania už mechanické výpočtové obvody, elektromechanické relé, elektrónky a tranzistory. Svoje úvahy o Moorovým zákonom zhmotnil Kurzweil vo svojich knihách The Age of Spiritual Machines (Vek duchovných strojov, 1999) a The Singularity is Near (Singularita sa blíži, 2005) kde predstavil svoju teóriu exponenciálneho rastu, resp. zákon zrýchľujúcich sa zmien (Law of Accelerating Returns). [9]

Referencie
  1. MOORE, Gordon E.. Cramming more components onto integrated circuits [online]. Electronics, 1965-04-19, [cit. 2019-08-26]. Dostupné online. (po anglicky)
  2. GORDON, E. Moore. Progress In Digital Integrated Electronics (1975 IEEE Text Speech) [online]. 1975, [cit. 2019-08-26]. Dostupné online.
  3. BYRNE, David M.. Is the Information Technology Revolution Over? [online]. Finance and Economics Discussion Series Divisions of Research & Statistics and Monetary Affairs Federal Reserve Board, Washington, D.C., 2013, [cit. 2019-08-26]. Dostupné online. (po anglicky)
  4. KING, Charles. Moore’s Law is golden [online]. Computerworld, 2015-04-21, [cit. 2019-08-27]. Dostupné online. (po anglicky)
  5. Samsung's New $14 Billion Chip Plant To Manufacture DRAM, Processors In 2017 (Updated) [online]. Tom's Hardware, 2015-05-08, [cit. 2019-08-27]. Dostupné online. (po anglicky)
  6. Moore's Law graphed vs real CPUs & GPUs 1965 - 2019 [online]. youtube.com, 2019-06-05, [cit. 2020-02-10]. Dostupné online. (po anglicky)
  7. JAVŮREK, Karel. Intel letos začne u TSMC vyrábět 5nm procesory. Na rok 2022 už plánuje 3nm čipy [online]. Živě.cz, [cit. 2021-02-07]. Dostupné online. (po česky)
  8. TSMC a Samsung hlásia vážne problémy pri vývoji 3 nm výrobnej technológii [online]. Vosveteit.sk, 2021-01-03, [cit. 2021-02-08]. Dostupné online.
  9. ZAVORAL, Petr. Zákony informatiky: Úvod a Moorův zákon (1) [online]. www.itbiz.cz, 2019-01-09, [cit. 2019-08-27]. Dostupné online.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.