что такое закон мура
Что такое закон Мура простыми словами
Наиболее известное правило в мире высоких технологий – наблюдение, или закон Мура, гласит: каждые два года количество транзисторов на чипе увеличивается вдвое. Владельцы компьютеров могут вспомнить свои первые ПК, сравнить их с существующими современными моделями. Новое устройство всегда компактнее и мощнее предыдущего: согласно закону Мура, каждые 24 месяца количество чипов на интегральной схеме также увеличивается в два раза.
Этой формуле более 50 лет, она стала основной концепцией для создания современной техники, но, согласно подсчетам, закон Мура не вечен.
Идейный вдохновитель: кто он, Гордон Мур
Гордон Мур родился в Сан-Франциско, получил степень бакалавра химии и вместе с друзьями покинул престижную практику в лаборатории Уильяма Шокли ради возможности работы с кремниевыми транзисторами. Так началась карьера Гордона Мура, одного из основателей Intel. В 1968 году трое друзей работали над интегральной схемой, которая станет основой для современных ПК.
Так была создана Intel – корпорация, ставшая лидер ом в технологической индустрии. Гордон Мур более 15 лет занимал место генерального управляющего компании и более 30 (и по настоящее время) – должность председателя совета директоров.
История
Спустя 6 лет после разработки интегральной схемы, в 1965 году, Мур обнаружил закономерность: через год после выпуска микросхемы появлялся новый тип чипа с увеличивающимся вдвое количеством транзисторов на нем. Проанализировав тенденцию, инженер пришел к выводу, что мощность вычислительной техники растет по экспоненте (т.е. с высокой скоростью). Описанное наблюдение называется законом Гордона Мура.
Через 10 лет, в 1975 году, ученый внес поправку в свое наблюдение: увеличение количества транзисторов происходит каждые два года, а не через 12 месяцев.
В 2007 году Мур признал, что вскоре закон утратит свою силу так как есть предел темпа развития технологий.
Что такое закон Мура
Формулу на всех этапах работы используют инженеры или специалисты, имеющие отношение к разработке электроники. Для обывателя суть закона Гордона Мура такова: производительность и вычислительная мощность ПК увеличивается в два раза каждые пару лет.
Каждый замечал, насколько быстро устаревает техника, а стоимость новой увеличивается, но незначительно. Такая тенденция объясняется законом Мура и его влиянием на технологический прогресс.
Вариации на тему: Интерпретации наблюдений
Обратная интерпретация: наиболее целесообразное количество транзисторов на чипе возрастает вдвое каждый год.
Стоит отметить, что закон Гордона Мура не исполняется в точности, поэтому его нельзя называть эмпирическим опытом в строгом смысле этих понятий.
Антизакон
Очень немногие инженеры слышали об обратной закону гипотезе. Темп прогресса постоянен, по сравнению с увеличивающимся по экспоненте количеством исследователей.
Анализ с помощью построения графиков учеными Стэнфорда помог сформулировать Антизакон. Формулируется он так: производительность работы исследователей и разработчиков электроники за последние полвека снизилась почти в 20 раз. В задачи, требовавшие в 1971 году привлечения 1 тыс. ученых, в 2019 г. задействованы более 20 тыс. человек.
В масштабе глобальной экономики можно заметить работу антизакона Мура. При сравнении общей производительности населения развитой страны и производительности исследователей возникнет вывод, что ученые, жившие век назад, были в 25 раз продуктивнее разработчиков 21 века. Причиной этого безумия стала возрастающая сложность поставленных задач. С каждым годом делать научные открытия и прорывы все сложнее, и для этого вовлекают все больше специалистов. Возникает тотальная проблема дефицита IQ, решать которую, возможно придется с помощью замены человека искусственного интеллекта (ИИ).
Элизер Юдковски – исследователь ИИ, вывел следствие Закона Мура для «безумия» науки: раз в 18 месяцев необходимый для уничтожения человечества минимальный IQ уменьшается на 1 балл.
Статистическая проверка
Подтвердить или опровергнуть закон Мура можно с помощью анализа официальных данных Intel. Производительность работы процессоров увеличивается вдвое каждые 20 месяцев с 2010 года. В 2000-2010 гг. параметр эффективности удваивался медленнее – примерно каждые 23 месяца.
До 1995 года тактовая частота увеличивалась раз в 36 месяцев, с 2010 года показатель возрастает через каждые 25 месяцев.
Оба случая показывают разброс от заявленного темпа примерно в 1,5 раза. Поэтому ученые утверждают, что закон Мура перестал работать. Примечательно, что, вопреки опасениям автора о спаде темпа развития технологии, увеличение производительности, а также компактности микропроцессоров увеличивается. В такой трактовке можно утверждать, что скорость технологического прогресса опережает гипотезу Мура и осуществляется быстрее экспонентного темпа.
Влияние закона Мура
Последние 50 лет направление и темп развития электроники определялись законом Мура. С помощью этой гипотезы ученые стремятся вычислить темп развития ОП компьютеров, мощность и вычислительную скорость устройств.
Большинство разработчиков ориентируется на эту гипотезу, работа планируется с учетом данного наблюдения. Производители и продавцы точно прогнозируют срок выпуска обновленных процессоров и программного обеспечения.
Следствия закона Мура
Один из инвесторов Intel, Артур Рок, сформировал экономическое следствие закона Мура.
Каждые 4 года стоимость основных фондов, которые используются для производства полупроводников, увеличивается вдвое.
Параллелизм и закон Мура
Чтобы применить наблюдение основателя Intel, инженеры используют в работе принцип параллельных вычислений. Это означает, что разработка программного обеспечения и элементов проводится синхронно. Тогда каждый созданный элемент становится частью единой системы компьютера.
Такой способ организации программирования повышает темп развития многоядерных архитектур (принципов работы и построения ПК на 2 и более ядрах), число системных ошибок при этом уменьшается. Программное обеспечение и элементы устройств должны развиваться параллельно.
Для увеличения производительности и прибыли программы должны развиваться и обновляться одновременно с физическими носителями (чипами, транзисторами).
Распространение закона Мура
Инженеры Intel применяют наблюдение своего основателя практически во всех секторах собственного производства. Число транзисторов увеличивается вдвое, а вместе с этой цифрой растет уровень интеграции устройств и сложность структуры ПК в целом.
Закон Мура позволяет предсказать, когда потребуется создание принципиально новых технологических систем, как это произошло с использованием оптоволокна.
У разработчиков появляется возможность и время для формирования новых устройств и технологий в соответствии с запросом потребителей.
Изменение природы закона Мура
Наблюдение основателя Intel в течение 20 лет задавало темп разработки транзисторов и скорость тактовой частоты.
Сейчас закон Мура позволяет улучшить характеристики аккумуляторов ПК, смартфонов, снизить энергопотребление и улучшить производительность в целом. В электронике эта гипотеза является основной идеей в разработке каждого элемента. Спустя полвека закон Мура стал символом инноваций в культуре. В этом контексте наблюдение Гордона Мура олицетворяет использование накопленных знаний.
Когда закон Мура перестанет работать
Пользователям и разработчикам не стоит забывать, что основатель Intel, выводя собственный закон, не принимал в расчет фундаментальные положения физики и математики.
Чтобы наблюдение Мура продолжало действовать, производителям каждые два года нужно создавать способы уменьшения транзисторов без потери эффективности.
Такой процесс не длится бесконечно, так как существует физический предел для элементов. В расчетах ученые могут применять понятие бесконечно малого, но в реальном мире это невозможно.
При размере транзистора в несколько атомов в элементе начнутся квантовые изменения, то есть бесконтрольное движение электронов, что сделает транзисторы неэффективными.
Начиная с 2010 года, следование закону Мура перестало быть выгодным для разработчиков. На его соблюдение нужно тратить множество ресурсов: материалы, оборудование, увеличение штата и проч. На 2019 год закон Мура не работает эффективно, эра кремниевых транзисторов завершится предположительно до 2030 года.
Вместо заключения
Закон Мура стал импульсом для развития программного обеспечения и устройств. Но физические ограничения не позволят использовать эту гипотезу бесконечно. Спустя десятилетие человечество увидит новые вычислительные системы, оптоволокно станет основным материалом для процессоров.
В стремлении обойти закон Мура производители создают чипы, алгоритмы работы которых, по сравнению с ныне существующими, покажутся магией.
Закон Мура
Ученые из Австралии смогли создать транзистор на основе одного атома на восемь лет раньше, чем это возможно согласно легендарному закону Мура, который мировая ИТ-индустрия десятилетия принимала за аксиому.
Содержание
1965: Мур формулирует предположение
Закон Мура — эмпирическое наблюдение, сделанное в 1965 году (через шесть лет после изобретения интегральной схемы), в процессе подготовки выступления Гордоном Муром (одним из основателей Intel).
Зависимость числа транзисторов на кристалле микропроцессора от времени. Обратите внимание, что вертикальная ось имеет логарифмическую шкалу, то есть кривая соответствует экспоненциальному закону — количество транзисторов удваивается примерно каждые 2 года.
Мур высказал предположение, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые 24 месяца. При анализе графика роста производительности запоминающих микросхем им была обнаружена закономерность: появление новых моделей микросхем наблюдалось спустя примерно одинаковые периоды (18—24 мес.) после предшественников, при этом количество транзисторов в них возрастало каждый раз приблизительно вдвое. Гордон Мур пришел к выводу, что при сохранении этой тенденции мощность вычислительных устройств за относительно короткий промежуток времени может вырасти экспоненциально.
По поводу эффектов, обусловленных законом Мура, в журнале «В мире науки» как-то было приведено такое интересное сравнение:
«Если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как промышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолёт Boeing 767 стоил бы 500 долл. и совершал облёт земного шара за 20 минут, затрачивая при этом пять галлонов (
18,9 л) топлива. Приведенные цифры весьма точно отражают снижение стоимости, рост быстродействия и повышение экономичности ЭВМ». — Журнал «В мире науки» (1983, № 10)[3] (русское издание «Scientific American»)
В 2007 году Мур заявил, что закон, очевидно, скоро перестанет действовать из-за атомарной природы вещества и ограничения скорости света.
Одним из физических ограничений на миниатюризацию электронных схем является также Принцип Ландауэра, согласно которому логические схемы, не являющиеся обратимыми, должны выделять теплоту в количестве, пропорциональном количеству стираемых (безвозвратно потерянных) данных. Возможности по отводу теплоты физически ограничены.
Параллелизм и закон Мура
В последнее время, чтобы получить возможность задействовать на практике ту дополнительную вычислительную мощность, которую предсказывает закон Мура, стало необходимо задействовать параллельные вычисления. На протяжении многих лет, производители процессоров постоянно увеличивали тактовую частоту и параллелизм на уровне инструкций, так что на новых процессорах старые однопоточные приложения исполнялись быстрее без каких либо изменений в программном коде. Сейчас по разным причинам производители процессоров предпочитают многоядерные архитектуры, и для получения всей выгоды от возросшей производительности ЦП программы должны переписываться в соответствующей манере. Однако, по фундаментальным причинам, это возможно не всегда.
2012: Опровержение закона Мура
С 1954 года, когода научный сотрудник Texas Instruments Джордж Тиль (George Teal) создал первый кремниевый транзистор, инновационные решения позволили постепенно уменьшать и уменьшать размер этих электронных компонентов, что привело к созданию компьютеров и мобильных устройств современного типа.
Одно устройство может содержать миллиарды транзисторов, которые работают вместе для выполнения простых двоичных вычислений. Чем больше транзисторов находится на единицу площади, тем быстрее производятся расчеты и тем больше информации компьютеры могут обработать и сохранить, одновременно затрачивая меньше энергии.
В прошлом уже были созданы одноатомные транзисторы. Но к сегодняшнему дню в их использовании была достигнута погрешность в 10 нанометров (нанометр равен одной миллиардной метра). Но для одноатомного транзистора, чтобы он мог использоваться в реальных устройствах, требуется расположение одного атома точно на кремниевом чипе. По данным журнала о нанотехнологиях Nature Nanotechnology, именного этого и удалось достичь исследователям.
Они использовали сканирующий туннельный микроскоп (устройство, которое позволяет исследователям видеть атомы и обеспечить точность манипуляций с ними) ученые проделали узкий канал в кремниевой базе. Затем был применен газ фосфин, с помощью которого был помещен отдельный атом фосфора между двумя электродами в нужной области. Когда электрический ток проходит через такое устройство, оно усиливает и передает электрический сигнал, что и является основным принципом работы любого транзистора.
Так что достижение ученых из Австралии приблизило человечество еще на один шаг к созданию квантовых компьютеров. Удивительно также и то, что команда бросила вызов закону Мура (основывается на публикации Гордона Мура (Gordon Moore) в журнале Electronics Magazine в 1965 году). Согласно этому закону, число транзисторов, размещающихся на одной схеме, удваивается каждые 18-24 месяцев. Так что, по прогнозам Мура, одноатомные транзисторы должны появиться не раньше 2020 года. Однако это произошло на 8 лет раньше.
Мишель Симмонс (Michelle Simmons), директор ARC Centre for Quantum Computation and Communications и глава исследовательской группы, заявил: «Мы решили 10 лет назад, что создадим одноатомный транзистор так быстро, как это будет возможно, и тем самым опровергнем этот закон. И вот мы сделали это в 2012 году».
Однако до реального использования таких транзисторов пройдет еще 15-20 лет. Дело в том, что работающий образец функционирует только при температуре минус 391 градус в пределах лаборатории, так что является всего лишь доказательством концепции.
2015: Intel верит в дальнейшее соблюдение закона Мура
На конференции International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), которая с 22 по 26 февраля 2015 года прошла в Сан-Франциско, участники полупроводниковой отрасли рассказали о своих достижениях и планах в части освоения «тонких» технологических норм. Добраться до 10 нм чипмейкеры смогут при помощи нынешних технологий, но дальнейшее развитие осложнится, поэтому производителям потребуются новые решения. [1]
По словам ведущего специалиста Intel Марка Бора (Mark Bohr), несмотря на всеобщую борьбу с растущими расходами на полупроводниковые пластины, компания продолжает увеличивать в микросхемах плотность транзисторов и снижать себестоимость каждого из них, и делает это быстрее в случае с 14 нм по сравнению с предыдущими технологиями. Эти темпы сохранятся на 10 и 7 нм шаге за счет масштабирования, позволяющего повысить степень интеграции и удешевить стоимость одного транзистора, заявил Бор.
Intel уверена, что стоимость транзисторов будет по-прежнему снижаться по мере освоения передовых техпроцессов
Стоит отметить, что Intel начала 14-нм производство с запозданием примерно на 6-9 месяцев относительно планируемых сроков. Несмотря на это американская корпорация опередила конкурентов, и к концу февраля 2015 года лишь она предлагает 14-нм процессоры, а TSMC, Samsung и GlobalFoundries только-только приноравливаются к выпуску 16-нм продукции с сохранением 20-нм геометрии в металлических слоях.
Intel обещает коммерческое освоение 10-нм техпроцесса в 2016 году и планирует использовать 7-нм технологию в 2018-м. Еще через два года компания рассчитывает на переход к 5 нм.
Сделать это без инноваций будет трудно. Они обязательно появятся, поскольку именно так было в последние годы, уверен Марк Бор, ссылаясь на закон Мура, предполагающий, что вычислительная мощность удваивается каждые 24 месяца.
При освоении передовых проектных норм Intel, возможно, будет применять упаковку чипов типа 2,5D (слои помещаются рядом друг с другом) и 3D (слои располагаются поверх друг друга). При этом корпорация продолжает поиск новых эффективных с точки зрения себестоимости решений.
Глава полупроводникового подразделения Samsung Кинам Ким (Kinam Kim) заявил, что CMOS-транзисторы теоретически можно уменьшить до норм 3-5 нм. Вместе с тем топ-менеджер согласился с тем, что технологии ниже 10 нм требуют новых подходов.
2019: Скорость развития ИИ опережает закон Мура
В конце декабря 2019 года Стэнфордский университет обнародовал результаты исследования, согласно которому вычислительная мощность искусственного интеллекта уже более семи лет опережает закон Мура. Подробнее здесь.
С юбилеем, закон Мура
Привет, Geektimes. Недавно мы праздновали юбилей, причём какой! Не юбилей компании, что очень приятно, но не так важно. Не юбилей какого-либо изобретения, а юбилей закона, который вот уже 50 лет как движет развитие микроэлектроники вперёд, побуждая инженеров творить чудеса и увеличивать производительность компьютеров год за годом. Юбилей закона, которая каждая IT-компания, независимо от того, софтовая она или хардовая, старается поддержать и подтвердить ещё день, месяц, год. Юбилей закона Мура.
Кто такой Мур и какое влияние он оказал на микроэлектронику?
Гордон Эрл Мур родился в 1929 году в Сан-Франциско, вырос в небольшом городке Пескадеро, в 1950 стал бакалавром химии в Беркли, спустя четыре года успешно защитил докторскую степень в области химии и физики в Калифорнийском технологическом институте. И ничто не выделяло бы его из сотен таких же выпускников, если бы не его сосредоточенность на деле. Перед тем как основать Intel, Мур работал в данной области почти двенадцать лет: сначала Shockley Semiconductor Laboratory в Пало-Альто; Гордон Мур ушёл из “Шокли” из-за несогласия с её основателем, Уильямом Шокли, который хотел прекратить исследования кремниевых полупроводников. Не найдя компромиссов с руководством, он и ещё семь талантливых инженеров основали одну из крупнейших на тот момент компаний по работе с кремниевыми транзисторами Fairchild Semiconductors. Спустя 12 лет Fairchild Semiconductor стала одним из ведущих производителей операционных усилителей и других аналоговых интегральных микросхем, но материнская компания начала ограничивать возможности своей «дочки», после чего опытные сотрудники начали увольняться, сама Fairchild Semiconductor быстро пришла в упадок и потеряла долю на рынке, а Гордон Мур вместе с Робертом Нойсом (автором патента на интегральную схему) основал компанию Intel.
Закон Мура: предпосылки и наблюдения
Закон Мура не сразу сформировался таким, каким мы его знаем, но, как и всякий закон, он основывался на наблюдении. Первая формулировка (1965 год) была найдена случайно. Готовясь к очередному выступлению, Гордон Мур пытался вычислить, сколько будет стоить произвести один элемент на микросхеме в зависимости от того, сколько элементов суммарно будет на ней находиться. Зависимость нашлась, причём (как и во многих других отраслях) оказалось, что существует некое оптимальное среднее значение, при котором стоимость одного элемента вычислительной схемы минимальна.
Кроме этого, он заметил, что из года в год, во-первых, уменьшается стоимость одного элемента, а во-вторых, количество элементов на одном кристалле растёт. Также Мур отметил, что более продвинутые модели микросхем появлялись приблизительно спустя год после предшественников, при этом количество транзисторов на них удваивалось.
Связано это было как с бурным развитием микроэлектроники, так и с растущими потребностями индустрии. Спустя десять лет микропроцессоры стали доступнее, производились в куда больших количествах, чем ранее, и Гордон Мур внёс в свой закон небольшие изменения: число транзисторов удваивается каждые два года. Связано это было в первую очередь с экономической составляющей высокотехнологичных производств: разработка новинок стоит денег и новинки необходимо успевать окупить.
Слишком частый выпуск новых продуктов приводил бы к тому, что доля исследований и разработок в затратах на выпуск единицы продукции сильно росла, и компания не могла извлечь достаточно прибыли для дальнейшего развития. Слишком редкий выпуск новых продуктов открывал дорогу конкурентам и тем, кто решил рискнуть и выпустить свой продукт раньше других. Таким образом вся индустрия пришла к рациональному циклу развития, который работает вот уже 50 лет.
Экспоненциальная зависимость и рост вычислительных мощностей нашли своё отражение во многих смежных областях. Некоторые другие предсказания Гордона Мура тоже оправдались, но они не столь известны и популярны.
Чего достигла микроэлектроника
С начала семидесятых годов микроэлектроника сильно шагнула вперёд. Сложно представить, но производительность и энергоэффективность кое-где опередили даже смелые прогнозы, основанные на законе Гордона Мура:
Если сравнивать прогресс в микроэлектронике с прогрессом в механике и других областях прикладной науки, то сложно даже описать, насколько быстро растёт та сфера, которой занимается Intel.
в 40 000 км полёт на высоте уровня моря за 20 минут потребовал бы развивать скорость порядка 2 000 километров в минуту (120 000 Км/ч или 33 333.(3) м/с) — а это примерно 1.1% скорости света в вакууме (300 млн м/с).
Отражение Закона Мура в смежных областях
Закон Мура как таковой отражает только рост вычислительной мощности чипов, но что стоит за ростом этой вычислительной мощности? Как повлияло такое развитие на другие сферы человеческой деятельности? Возьмём, к примеру, суперкомпьютеры. Учёным требуются суперсложные вычисления — мы их обеспечиваем.
Рост производительности 500 самых мощных систем получается несколько быстрее, чем экспонента закона:
Стоимость одного из самых сложных “потребительских” вычислений — расшифровки генома человека — снижалась ещё быстрее:
Даже в таком близком и простом для нас с вами понятии, как размер дистрибутива OS, Закон Мура продолжает действовать:
Отражение фундаментального (на сегодняшний день) наблюдения за развитием мира микроэлектроники можно найти практически везде, где она хоть как-нибудь задействована.
Облачные вычисления, мобильная техника, количество подключений к интернет, — эти и многие другие области IT растут по экспоненте вместе с нашими процессорами, и пока не думают останавливаться.
Прогнозы
К сожалению, законы физики сильнее условностей, которые придумали люди, и для Закона Мура есть ограничения. Его пытались похоронить много раз. Да что уж говорить: сам Гордон Мур в 1995 году думал, что к 2005 экономические аспекты производства поставят производителей в такие условия, что закон перестанет выполняться. Когда этого не случилось, он оценил рубеж экспоненциального роста производительности вычислительных систем 2015-2025 годами, но уже из-за технологических ограничений.
Инженеры не раз сталкивались с невозможностью продолжать совершенствование процессоров классическим путём. Упёрлись в тактовую частоту одного ядра — появились многоядерные системы. Ядра простаивают в ожидании новых задач? Появилась виртуальная гиперпоточность. Из имеющейся архитектуры выжали все соки? Можно уменьшить техпроцесс, а с ним тепловыделение, увеличить таковые частоты, и параллельно работать над новым поколением железа.
Если быть точным, то впервые существенно законы физики вмешались уже на техпроцессе в
200 нм: так как получить изображение меньшее, чем 1/2 длины волны вообще не представляется возможным с точки зрения законов физики. В тот раз нашлось простое и элегантное решение: нельзя сделать маски “мельче” — пусть изображение формируется в несколько этапов с использованием разных масок для каждого из них:
Мало будет двух раз? Сделаем и четыре прохода, и восемь. К сожалению, уменьшать технологический размер элементов и работать со всё более и более тонкими структурами рано или поздно начнут мешать ограничения, которые мы пока не в силах преодолеть. Но наша задача — отсрочить этот момент как можно дальше.
Intel Xeon E7 v3
В день юбилея закона Мура мы решили в очередной раз подтвердить его на практике и представили новое поколение серверных процессоров Intel Xeon E7 третьего поколения.
Если сравнивать новые процессоры Intel с популярными RISC-чипами других производителей, то цифры просто удивительные:
Новое семейство процессоров во многом превосходит модели предыдущего поколения:
Xeon’ы у наших друзей
Один из наших крупнейших партнёров, компания HP, отметила, что системы на основе архитектуры x86_64 всё плотнее проникают в сегмент бизнес-критичных платформ:
Причина такого изменения, разумеется, в деньгах. Суммарное снижение TCO (совокупной стоимости владения) ниже аналогичных RISC-платформ с *NIX на борту примерно на треть.
Применение процессоров Intel Xeon и Xeon PHI позволило другому нашему партнёру, компании РСК, создать уникальные вычислительные системы: RSC PetaStream и «РСК Торнадо»:
Энергетическая плотность RSC PetaSteram — 400+ кВт на шкаф. И ведь это тепло выделится в процессе работы – его необходимо собрать, отвести и сделать это максимально эффективно. Для сравнения, мощность известного на постсоветском пространстве грузового электровоза ВЛ85 — порядка 10 000 кВт.
Комплекс RSC PetaSteram по-настоящему уникальный и эффективный продукт, которым компания РСК может гордиться по праву. Системы RCS PetaStream и «РСК Торнадо» уже работают в российских научных и образовательных учреждениях.