Ce este legea lui Moore? Legea lui Moore este observatia ca numarul tranzistoarelor dintr-un circuit dens integrat (IC) se dubleaza aproximativ la fiecare doi ani.

Legea lui Moore este o observatie si proiectie a unei tendinte istorice. Mai degraba decat o lege a fizicii, este o relatie empirica legata de castigurile din experienta in productie.

Legea poarta numele lui Gordon Moore, cofondatorul Fairchild Semiconductor si fost CEO si cofondator al Intel, care in 1965 a propus o dublare in fiecare an a numarului de componente per circuit integrat, si a previzionat ca aceasta rata de crestere, va continua cel putin inca un deceniu.

In 1975, asteptand cu nerabdare urmatorul deceniu, el a revizuit prognoza – declarand ca acest numar de tranzistori se va dubla la fiecare doi ani, o rata de crestere anuala compusa (CAGR) de 41%. In timp ce Moore nu a folosit dovezi empirice in prognozele ca tendinta istorica va continua, predictia sa s-a mentinut inca din 1975 si de atunci a devenit cunoscuta ca o „lege”.

Predictia lui Moore a fost utilizata in industria semiconductorilor pentru a ghida planificarea pe termen lung si pentru a stabili obiective pentru cercetare si dezvoltare, functionand astfel un pic ca o profetie care se implineste.

Progresele in electronica digitala, cum ar fi reducerea preturilor microprocesorului ajustate la calitate, cresterea capacitatii memoriei (RAM si ROM), imbunatatirea senzorilor si chiar numarul si dimensiunea pixelilor din camerele digitale, sunt strans legate de legea lui Moore . Aceste schimbari in electronica digitala au constituit o forta motrice a schimbarilor tehnologice si sociale, a productivitatii si a cresterii economice.

Expertii din industrie nu au ajuns la un consens cu privire la momentul exact in care legea lui Moore va inceta sa se aplice. Arhitectii microprocesorilor raporteaza ca avansarea semiconductorilor a incetinit la nivel de industrie incepand cu anul 2010 (aproximativ), sub ritmul prevazut de legea lui Moore. Cu toate acestea, incepand din 2018, principalii producatori de semiconductori au dezvoltat procese de fabricatie IC in productia de masa despre care se pretinde ca vor tine pasul cu legea lui Moore.

Ce este legea lui Moore? Istorie si dezvoltare

In 1959, Douglas Engelbart a discutat despre redimensionarea proiectata a dimensiunii circuitului integrat (IC) in articolul „Microelectronica si arta asemanarii”. Engelbart si-a prezentat ideile la Conferinta internationala a circuitelor in stare solida din 1960, unde Moore a fost prezent in audienta.

In acelasi an, Mohamed Atalla si Dawon Kahng au inventat MOSFET (tranzistor cu efect de camp metal-oxid-semiconductor), cunoscut si sub numele de tranzistor MOS, la Bell Labs. MOSFET a fost primul tranzistor cu adevarat compact care putea fi miniaturizat si produs in serie pentru o gama larga de utilizari, cu scalabilitate ridicata si consum redus de energie, rezultand o densitate mai mare a tranzistoarelor si facand astfel posibila dezvoltare unor cipuri IC de inalta densitate.

La inceputul anilor 1960, Gordon E. Moore a recunoscut ca, caracteristicile electrice si de scalare ideale ale dispozitivelor MOSFET ar duce la cresterea rapida a nivelurilor de integrare si la o crestere de neegalat in aplicatiile electronice.

In 1965, lui Gordon Moore, care la acea vreme lucra ca director de cercetare si dezvoltare la Fairchild Semiconductor, i s-a cerut sa contribuie la numarul aniversar de treizeci si cinci de ani al revistei Electronics cu o predictie asupra viitorului industriei componentelor semiconductoarelor, pentru urmatorii zece ani. Raspunsul sau a fost un scurt articol intitulat „Introducerea mai multor componente pe circuitele integrate”. In cadrul editorialului sau, el a speculat ca pana in 1975 ar fi posibil ca un semiconductor sa contina pana la 65.000 de componente.

Complexitatea costurilor minime ale componentelor a crescut cu o rata de aproximativ un factor de doi pe an. Cu siguranta, pe termen scurt, se poate astepta ca aceasta rata sa continue, daca nu chiar sa creasca. Pe termen lung, rata de crestere este putin mai incerta, desi nu exista niciun motiv sa credem ca nu va ramane aproape constanta timp de cel putin 10 ani.

Moore a sustinut o relatie log-liniara intre complexitatea dispozitivului (densitate mai mare a circuitului la un cost redus) si timp. Intr-un interviu din 2015, Moore a mentionat articolul din 1965: „… tocmai am facut o extrapolare majora, spunand ca aceasta rata va continua sa se dubleze in fiecare an, in urmatorii 10 ani”.

In 1974, Robert H. Dennard de la IBM a recunoscut tehnologia de scalare rapida MOSFET si a formulat ceea ce a devenit cunoscut sub numele de scalare Dennard, care descrie ca pe masura ce tranzistoarele MOS devin mai mici, densitatea lor de putere ramane constanta astfel incat consumul de energie sa ramana proportional cu suprafata. Scalarea MOSFET si miniaturizarea au fost principalele forte motrice din spatele legii lui Moore. Dovezile din industria semiconductoarelor arata ca aceasta relatie inversa intre densitatea puterii si densitatea ariei s-a estompat la mijlocul anilor 2000.

La reuniunea internationala a dispozitivelor electronice IEEE din 1975, Moore si-a revizuit rata de prognoza, prezicand ca aceasta complexitate a semiconductorilor va continua sa se dubleze anual pana in 1980, dupa care va scadea la o rata de dublare de aproximativ doi ani. El a subliniat mai multi factori care contribuie la acest comportament exponential:

• Aparitia tehnologiei metal-oxid-semiconductor (MOS)
• Rata exponentiala de crestere a dimensiunilor matritei, impreuna cu o scadere a densitatilor, cu rezultatul ca producatorii de semiconductori ar putea lucra cu suprafete mai mari fara a pierde randamentele
• Dimensiuni minime mai scazute
• Ceea ce Moore a numit „ingeniozitatea circuitelor si dispozitivelor”

La scurt timp dupa 1975, profesorul Caltech, Carver Mead, a popularizat termenul „legea lui Moore”. Legea lui Moore a ajuns in cele din urma sa fie acceptata pe scara larga ca obiectiv pentru industria semiconductoarelor si a fost citata de producatorii competenti de semiconductori in timp ce se straduiau sa creasca puterea de procesare. Moore a vazut legea sa omonima ca fiind surprinzatoare si optimista: „Legea lui Moore este o incalcare a legii lui Murphy. Totul devine din ce in ce mai bun.” Observatia a fost chiar privita ca un fel de profetie care se implineste de la sine.

Perioada de dublare este adesea cotata gresit la 18 luni din cauza unei previziuni a colegului lui Moore, executivul Intel, David House. In 1975, House a remarcat ca legea revizuita a lui Moore de dublare a numarului de tranzistori la fiecare 2 ani, implica faptul ca performanta cipurilor computerului s-ar dubla aproximativ la fiecare 18 luni (fara o crestere a consumului de energie).

Legea lui Moore este strans legata de scalarea MOSFET, deoarece scalarea rapida si miniaturizarea MOSFET-urilor este forta cheie care sta la baza legii lui Moore. Din punct de vedere matematic, legea lui Moore a prezis ca numarul tranzistoarelor se va dubla la fiecare 2 ani din cauza reducerii dimensiunilor tranzistorului si a altor imbunatatiri. Ca o consecinta a reducerii dimensiunilor, scalarea Dennard a prezis ca si consumul de energie per unitatea de suprafata, va ramane constant.

Combinand aceste efecte, David House a dedus ca performanta cipului de computer se va dubla aproximativ la fiecare 18 luni. De asemenea, datorita scalarii Dennard, aceasta performanta crescuta nu ar fi insotita de o putere crescuta, adica eficienta energetica a cipurilor de computer pe baza de siliciu, se dubleaza aproximativ la fiecare 18 luni. Scalarea Dennard s-a incheiat in anii 2000. Koomey a aratat mai tarziu ca o rata similara de imbunatatire a eficientei a precedat cipurile de siliciu si Legea lui Moore, pentru tehnologii precum tuburile de vid.

Arhitectii microprocesoarelor raporteaza ca, din jurul anului 2010, avansarea semiconductoarelor a incetinit la nivel de industrie sub ritmul prevazut de legea lui Moore. Brian Krzanich, fostul CEO al Intel, a citat revizuirea lui Moore din 1975 ca un precedent pentru decelerarea actuala, care rezulta din provocarile tehnice si este „o parte naturala a istoriei legii lui Moore”.

Rata de imbunatatire a dimensiunilor fizice cunoscuta sub denumirea de scalare Dennard s-a incheiat la mijlocul anilor 2000. Ca rezultat, o mare parte din industria semiconductoarelor si-a mutat accentul pe nevoile aplicatiilor majore de calcul, mai degraba decat pe scalarea semiconductorilor. Cu toate acestea, principalii producatori de semiconductori – TSMC si Samsung Electronics, au sustinut ca tin pasul cu legea lui Moore prin introducerea unor noi noduri – de 10 nm si respectiv 7 nm, in productia de masa, precum si a unor noi noduri de 5 nm, in productia de business (servere).

A doua lege a lui Moore

Pe masura ce costul consumului de energie pentru computer scade, costul pentru producatori de a respecta legea lui Moore urmeaza o tendinta opusa: costurile de cercetare si dezvoltare, productie si testare au crescut constant cu fiecare noua generatie de cipuri. Cresterea costurilor de fabricatie este o latura importanta in sustinerea legii lui Moore. Acest lucru a condus la formularea celei de-a doua legi a lui Moore, numita si legea lui Rock, care suna astfel: “Costul de capital al unei fabrici de semiconductori creste exponential in timp.”

Ce este legea lui Moore? Prognoze

In Aprilie 2005, Gordon Moore a declarat intr-un interviu ca proiectia (legea sa) nu poate fi sustinuta la nesfarsit. El a mentionat, de asemenea, ca tranzistoarele vor ajunge in cele din urma la limitele miniaturizarii la niveluri atomice:

“In ceea ce priveste dimensiunea tranzistoarelor, puteti vedea ca ne apropiem de dimensiunea atomilor, care este o bariera fundamentala, dar vor trece doua sau trei generatii inainte sa ajungem atat de departe. Mai avem deci inca 10-20 de ani inainte de a ajunge la o limita fundamentala.”

Majoritatea expertilor din industrie, inclusiv Gordon Moore, se asteapta ca asa numita “lege a lui Moore” sa-si incheie efectele pana in jurul anului 2025.