Закон Мура жил и будет жить

19 апреля 1965 г. в журнале Electronics (vol. 39, № 8) в рубрике "Эксперты смотрят в будущее" вышла статья Гордона Мура (Gordon Moore) "Cramming more components onto integrated circuits" (Объединение большего количества компонентов в интегральных схемах). В этой статье Мур (будущий сооснователь корпорации Intel), работавший тогда начальником отдела разработок компании Fairchild Semiconductors, дал прогноз развития микроэлектроники на ближайшие десять лет на основании анализа шестилетнего развития микроэлектроники, предсказав, что количество элементов на кристаллах электронных микросхем будет и далее удваиваться каждый год.

Вскоре после выхода статьи эта эмпирически подмеченная закономерность получила название закона Мура (Moore's Law) и стала, пожалуй, самым знаменитым законом в ИT-сфере и полупроводниковой индустрии, задав некий фундаментальный вектор развития технологии, которому разработчики микропроцессоров невольно стараются следовать вот уже более сорока лет! И хотя, строго говоря, закон Мура не принадлежит к числу научных — физических или математических — законов, на базе которых строятся наши современные представления о природе и протекающих в ней процессах, а является просто метко подмеченным эмпирическим правилом, он оказался очень удобным для описания определенных вещей и весьма полезным для прогнозирования деятельности компаний в этой области. Именно поэтому его так полюбили многие маркетологи и директора микроэлектронных предприятий, превратив в своеобразный фетиш.

Закон Мура в простой и доступной форме определяет фантастические, недоступные ни одной другой отрасли экономики, темпы развития полупроводниковой индустрии. На ее стремительном росте сегодня зиждется вся мировая экономика, которая уже просто немыслима без компьютеров всех сортов. Обнаруживая действие закона Мура во все новых сферах высоких технологий, мы лишь подтверждаем наличие постоянного, очень быстрого прогресса технологий, а значит, и всей мировой экономики.

Когда было сделано предсказание Мура, микроэлектроника пребывала в зачаточной фазе своего развития. Первый транзистор был создан в 1947 г. (а в 1956 г. за его открытие Бардину, Браттейну и Шокли вручили Нобелевскую премию по физике). Первая микросхема заработала 12 сентября 1958 г. в компании Texas Instruments (за ее изобретение Нобелевскую премию по физике присудили лишь в 2000 г.). "Первооткрывателями" микросхемы (то есть отцами современной микроэлектроники) считаются Джек Килби и один из основателей Intel Роберт Нойс. Кстати, к 1965 г. в самой сложной микросхеме компании Fairchild было всего лишь 64 транзистора, и о каких-либо достоверных статистических данных в этой отрасли не приходилось и говорить. Поэтому остается лишь поражаться, как в таких обстоятельствах Гордон Мур сумел предугадать фантастические темпы развития всей отрасли на несколько десятилетий вперед.

Выступая в 1975 году на конференции International Electron Devices Meeting, Гордон Мур отметил, что за прошедшее десятилетие количество элементов на кристаллах действительно удваивалось каждый год, однако в будущем, когда сложность чипов возрастет, удвоение числа транзисторов в микросхемах будет происходить несколько медленнее — каждые два года. Это новое предсказание также сбылось, и закон Мура продолжает в этом виде (удвоение за два года) действовать поныне (то есть в течение почти тридцати лет!), в последнее время немного ускорившись до удвоения за 18 месяцев, что можно наглядно проследить на примере деятельности лидера современной полупроводниковой индустрии корпорации Intel.

Гордон Мур

Почетный председатель совета директоров и основатель корпорации Intel Гордон Э. Мур получил степень бакалавра химии в университете Беркли в Калифорнии, затем степень доктора наук в области химии и физики в калифорнийском Технологическом институте. В 1968 г. Г. Мур стал одним из основателей корпорации Intel, где первое время занимал должность исполнительного вице-президента. В 1975 г. он был назначен президентом и главным исполнительным директором Intel. Эти посты он занимал до 1979 г., когда его избрали председателем совета директоров и главным исполнительным директором корпорации. Г. Мур оставался в должности главного исполнительного директора корпорации до 1987 г., а в 1997 г. в связи с достижением пенсионного возраста ему было присвоено звание почетного председателя совета директоров.

Гордон Мур является членом Национальной Академии технических наук, почетным членом Института инженеров по электротехнике и электронике, председателем совета попечителей калифорнийского Технологического института. В 1990 г. он был награжден Национальной медалью за достижения в области технологий.

В феврале 2002 г. Гордон Мур удостоился медали Бауэра. Эта медаль ежегодно присуждается Институтом науки и искусств имени Франклина за выдающийся вклад в развитие науки и технологий. Как отмечается в официальном сообщении Института им. Франклина, Гордон Мур награжден медалью Бауэра за "новаторство и обширный вклад в развитие полупроводниковых технологий, а также за горячую приверженность идеям использования научных открытий на благо общества".

Наряду с медалью Бенджамина Франклина в США медаль Бауэра считается одной из старейших и наиболее престижных наград за научные достижения. Награды Института им. Франклина, которые часто называют "американскими Нобелевскими премиями", вручаются с 1824 г. Их лауреатами в свое время стали такие всемирно известные ученые, как Альберт Эйнштейн, Томас Эдисон, Мария и Пьер Жан-Клод Кюри, Жак Кусто. Как подчеркивают представители Института, "свидетельством выдающихся технических и предпринимательских достижений Гордона Мура служит его новаторский подход, изменивший современный мир благодаря изобретению все более быстрых, компактных и все менее дорогих микропроцессоров".

Любопытные факты и цифры

В 2003 году Гордон Мур подсчитал, что количество транзисторов, ежегодно поставляемых на рынок, достигло 10.000.000.000.000.000.000 (1019).

Разрабатываемый сейчас в Intel метод производства микропроцессоров предусматривает, что расстояние между транзисторами на чипе составит одну десятитысячную толщины человеческого волоса. Это равносильно тому, чтобы провести автомобиль по прямой длиной в 650 км с отклонением от оси менее 2,5 см.

В 1978 году авиабилет по маршруту Нью-Йорк-Париж стоил около 900 долларов, а перелет длился около 7 часов. Если бы авиаиндустрия развивалась в соответствии с законом Мура, то сегодня авиабилет на тот же маршрут стоил бы менее цента, а перелет занял бы менее одной секунды.

За время существования корпорации Intel (то есть с 1968 года) себестоимость производства транзисторов упала до такой степени, что оно теперь обходится примерно во столько же, сколько стоит напечатать любой типографский знак, например запятую.

В процессе разработки микропроцессоров, содержащих один миллиард транзисторов, Intel уменьшила величину транзисторов до такой степени, что теперь на булавочной головке могут разместиться 200 млн. транзисторов.

Современные транзисторы производства корпорации Intel открываются и закрываются со скоростью полтора триллиона раз в секунду. Чтобы включить и выключить электрический выключатель полтора триллиона раз, человеку потребовалось бы 25 тысяч лет.

Что дальше?

За истекшие сорок лет скептики сотни раз предсказывали закону Мура скорую кончину, но ученые и инженеры Intel своими открытиями и неустанным трудом снова и снова подтверждали провидческий дар и безупречность выводов одного из отцов-основателей корпорации.

На весеннем (2002 г.) Форуме Intel для разработчиков (IDF) главный технический директор корпорации Intel Патрик Гелсингер сказал: "Наша задача состоит сегодня не только в том, чтобы продлить жизнь закону Мура, но и в том, чтобы максимально расширить сферу его действия, распространив его и на другие области". Первоначально закон Мура был простым выводом из наблюдений за первыми этапами развития индустрии микропроцессоров, этаким эмпирическим постулатом. Но уже через несколько лет он стал руководящим принципом развития для всей отрасли, а теперь иначе как законом его никто и не называет. "Честно говоря, я часто спрашивал себя, когда же закончится действие закона Мура, как долго мы еще сможем пользоваться его плодами? — говорит П. Гелсингер. — В 1980 году, когда я пришел в Intel, мы ломали голову над тем, как достичь технологической нормы производства микропроцессоров в 1 микрон. В девяностые годы перед нами встала задача внедрить технологическую норму в одну десятую микрона, и опять она казалась нам недостижимой. А сегодня мы думаем о том, как преодолеть барьер в одну сотую микрона. Могу пообещать вам, что до моей пенсии, то есть в течение еще двадцати пяти лет, закон Мура будет действовать. Уверен, что еще не одно десятилетие он будет руководящим принципом развития отрасли".

"Закон Мура — основной лейтмотив нашей деятельности в области конвергенции вычислительных и коммуникационных возможностей", — заявил глава корпорации Intel Крейг Барретт, открывая Форум Intel для разработчиков в 2005 г. — "Приверженность корпорации Intel закону Мура позволяет нам создавать интегрированные платформы, которые предоставляют широкий диапазон возможностей для отдельных людей и организаций, использующих эти технологии. Для эффективной реализации всего потенциала новых возможностей все большее значение приобретают процесс внедрения инноваций и общеотраслевое сотрудничество". Со своей стороны, в своем выступлении на осеннем IDF 2005 г. Паоло Джарджини, директор по технологической стратегии корпорации Intel, подтвердил, что закон Мура продолжает действовать и что в полном соответствии с ним корпорация Intel продолжает вводить новые технологические процессы каждые два года. Залогом успешной деятельности Intel на этом направлении служат ежегодные многомиллиардные вложения корпорации в научно-исследовательские разработки, постоянную модернизацию и расширение своих производственных мощностей.

В 2005 году началось производство чипов по технологии 65 нанометров, в 2007-м был осуществлен переход на 45-нанометровый процесс, а в 2009 год — внедрение 32-нанометрового, в 2011 году настанет черед технологического процесса 22 нм. Как подчеркивает Паоло Джарджини, вплоть до 2020 года Intel сможет создавать транзисторы по современной схеме работы — с электродами и затвором между ними. К тому времени, однако, размеры всех элементов транзистора достигнут атомарных размеров, и уменьшать их дальше будет просто невозможно. Следовательно, уже сейчас необходимо искать новые подходы. Один из них — организация передачи сигнала на уровне элементарных частиц, путем спиновых волн.

В лабораториях Intel уже сейчас разрабатываются идеи, которые будут воплощены в чипах только лет через 10. Одна чисто теоретическая идея заключается в многократном использовании электронов. В современных архитектурах электроны перемещаются от истока к стоку, а затем теряются. "При утилизации вы просто переносите электрон в другое место", — пишет Джарджини в одной из своих работ. — "Можно производить множество операций, не теряя электронов".

Другая альтернатива — углеродные и кремниевые нанотрубки. Транзисторы, изготовленные из таких материалов, имеют сопоставимые размеры. Диаметр углеродных нанотрубок — 1-2 нм, но в экспериментальных транзисторах исток и сток расположены по их длине. Это позволяет повысить быстродействие и уменьшить потребляемую энергию, однако размер больше не сократится.

"Экзотические структуры, такие как углеродные нанотрубки, могут найти применение в технологии КМОП (комплементарные металл-оксидные полупроводники) не столько для ускорения темпов миниатюризации, сколько для повышения производительности устройств или, возможно, упрощения их изготовления", — пишет Джарджини. — "Даже если для цифровой логики будет изобретено принципиально иное средство перемещения электронов, возможности его масштабирования для повышения плотности и производительности не зайдут много дальше пределов, достижимых технологией КМОП, главным образом, из-за ограничений, налагаемых требованием отвода тепла".

Следующая альтернатива — изготавливать чипы больших размеров, наращивая их площадь или строя трехмерные многослойные микросхемы. Такие решения предлагал сам Гордон Мур, а также профессор Стэнфордского университета Том Ли и некоторые другие исследователи. Каким путем пойдет дальнейшее развитие полупроводников — покажет время.

Так или иначе, практическая деятельность Intel не только продлевает жизнь закону Мура, но и распространяет его действие на самые разные сферы. Микропроцессоры становятся буквально вездесущими, а достижения высоких технологий — максимально демократичными, поскольку наравне с традиционными нишами Intel предлагает использовать их и в совершенно новых областях: в беспроводных технологиях, сенсорах и сенсорных сетях, а также в оптических технологиях. В следующем году закону Мура исполнится 45 лет, и, по мнению руководства Intel, все только начинается...

Александр Семенов

Новости партнеров: