Колонка редактора: 50 лет закону Мура

Сергей Плотников, 

19 апреля 1965 года в известнейшем журнале Electronics вышла заметка «Размещая больше элементов в интегральных микросхемах», написанная молодым руководителем отдела исследований и разработки небольшой компании Fairchild Semiconductor Гордоном Эрлом Муром. В ней был сделан прогноз: каждый год количество компонентов в одной микросхеме будет удваиваться, и к 1975 году достигнет 65 000. Значительно позже это эмпирическое правило было видоизменено, а также получило «официальное» название — закон Мура. 19 апреля 2015 года ему исполняется ровно 50 лет. Возможно, об этом законе сегодня никто и не вспомнил, если бы не одна парадоксальная вещь — он до сих пор действует!

Оглавление

С чего все начиналось

В 50-е и 60-е годы отрасль микроэлектроники находилась в зачаточном положении. Поэтому, как и в любом другом новаторском деле, необходимо было, выражаясь спортивной терминологией, попасть на гребень волны. Муру удалось это сделать. Но история успеха началась гораздо раньше.

Гордону Муру 3 января 2015 года исполнилось 86 лет. Фото: Jonathan Sprague/Redux
Гордону Муру 3 января 2015 года исполнилось 86 лет. Фото: Jonathan Sprague/Redux

Будучи химиком по образованию (Мур учился в Калифорнийском институте технологий), в 1956 году он вошел в состав команды, собранной изобретателем первого транзистора и нобелевским лауреатом Уильямом Шокли. Группе, состоящей из восьми молодых физиков и химиков, было поручено разрабатывать новые полупроводниковые технологии.

Как известно, Шокли славился своим очень тяжелым характером. Так бывает, когда гениальный ученый оказывается плохим руководителем. Говорят, что Шокли пытался заставить всю команду пройти тест на детекторе лжи, чтобы узнать, кто из восьмерки лжет. Все это время группу единомышленников удерживала идея, но когда Шокли заставил переключиться ученых на усовершенствование диодов имени себя, чтобы в дальнейшем реализовывать их оборонке США, терпение у молодых и амбициозных ученых кончилось. В 1957 году так называемая «вероломная восьмерка» ушла от Шокли и сформировала объединенную компанию Fairchild Semiconductor.

«Вероломная восьмерка». Крайний слева — Гордон Мур
«Вероломная восьмерка». Крайний слева — Гордон Мур

Тем не менее, полученные от работы с Шокли знания, пригодились новой компании. В 1958 году был выпущен разработанный непосредственно Муром транзистор 2N696, известный также как первый серийный кремниевый транзистор, стоивший к тому же дешевле германиевых аналогов. Fairchild Semiconductor начала зарабатывать авторитет и денежки.

В 1959 году Жан Эрни и Чи-Тан Са разработали основы планарной технологии. Год спустя был серийно выпущен планарный транзистор 2N1613, значительно превосходящий по своим возможностям 2N696. Сама технология позволила кардинально уменьшить количество примесей в составе. В 1959 году компания Мартин Аттала, работающий в Bell Labs, предложил делать (точнее, выращивать — прим. автора) затворы планарных транзисторов из двуокиси кремния. Его, безусловно, интересные труды не нашли практического применения в компании. Однако МОП-технология (металл-окисел-полупроводник) пригодилась Fairchild Semiconductor. Так, в 1963 году отделом разработки и исследований, была разработана КМОП-технология (комплементарная структура металл-оксид-полупроводника, она же CMOS), позволяющая реализовывать на одной подложке и n-канальные, и p-канальные транзисторы. Эта технология популярна до сих пор и является основополагающей в индустрии.

В 1965 году Гордон Мур, являющийся руководителем этого отдела, сделал короткую заметку «Будущее интегрированной электроники», предназначенную исключительно для членов Fairchild Semiconductor. В ней говорилось, что количество элементов в микросхеме должно удваиваться каждые 12 месяцев. Так появилась первая версия «закона Мура». Хотя это название у эмпирического правила прижилось заметно позже. Оригинал статьи из журнала Electronics вы можете прочитать вот здесь.

Одно из первых детищ Мура — транзистор 2N696
Одно из первых детищ Мура — транзистор 2N696

В 1967 году лидером в индустрии стала компания Texas Instruments. Fairchild Semiconductor, в свою очередь, было не до того. В компании начались очередные конфликты. В итоге в том же 1967 году Гордон Мур и его коллега Роберт Нойс (четвертый слева на фотографии выше) ушли, но основали собственную фирму. Первоначально планировалось назвать новое детище Moore Noyce. Однако молодые люди решили, что у людей возникнет ассоциация с выражением more noise — больше шума. Поэтому корпорация (хотя в то время пока только «контора») получила название Intel — сокращение от Integrated Electronics. А дальше пошло-поехало.

В 60-х существовала сеть гостиниц Intelco. Поэтому Муру и Нойсу пришлось выкупать права на использование этого имени.

Как известно, в начале Intel выпускала микросхемы памяти и логические инверторы. Но в 1970 году ряды компании пополнил ученый Федерико Фаджин, известный тем, что также работал в Fairchild Semiconductor и приложил руку к разработке самосовмещенной технологии производства чипов. С его помощью в 1971 году был выпущен первый в мире микропроцессор Intel 4004. Он производился по 10-мкм технологии и оснащался 2300 транзисторами. Максимальная тактовая частота «камня» составляла ничтожные по нынешним меркам 740 кГц. Первое применение Intel 4004 нашлось в японском калькуляторе Busicom 141-PF.

Первый «классический» микропроцессор Intel 4004
Первый «классический» микропроцессор Intel 4004

Современный транзистор может переключаться до полутора-двух триллионов раз в секунду. Например, чтобы включить/выключить полтора триллиона раз электрический выключатель, человеку потребовалось бы приблизительно 25 000 лет.

В 1970 году Intel заключила контракт с компанией CTC, которая попросила разработать центральный процессор для терминалов Datapoint 2200. Он еще известен как Project 1201. Однако затем заказчик расторгнул соглашение. В качестве платы CTC передала все права на этот микропроцессор непосредственно Intel. В 1972 году он вышел под названием Intel 8008. Чип насчитывал 2500 транзисторов и функционировал со скоростью 800 кГц. Он имел 8-битную шину данных, что потребовало увеличить в конструкции число ног — с 16 до 18. При этом одна шина предназначалась как для обмена данными, так и инструкциями. Такое ограничение заметно снижало уровень производительности Intel 8008. Эта проблема была решена в процессоре Intel 8080, вышедшем в 1974 году. Считается, что именно этот «камень» стал первым коммерчески успешным решением компании. Он использовался в культовом компьютере MITS Altair 8800. Процессор обладал 5000 транзисторами.

Компания заработала хорошую репутацию, а также средства на дальнейшие разработки.

Гордон Мур 10 лет назад
Гордон Мур 10 лет назад

Закон Мура как он есть

В 1975 году Мур, выступая на ежегодной конференции International Electron Devices Meeting, официально заявил о пересмотре своего эмпирического правила. Эпоха микропроцессоров только началась, за 10 лет ученый поднабрался опыта и изменил свои взгляды. В частности, он заявил, что количество транзисторов будет удваиваться не каждый год, как предполагалось раньше, но каждые 24 месяца. Понятие «закон Мура» аккурат после этой встречи ввел профессор Калифорнийского института технологий Карвер Мид. С тех пор его так и называют.

Графическое отображение закона Мура на примере центральных процессоров
Графическое отображение закона Мура на примере центральных процессоров

Гибридный процессор AMD Jaguar, применяемый в игровых приставках Microsoft Xbox One и Sony PlayStation 4, имеет 5 000 000 000 транзисторов.

Парадокс закона Мура заключается в нескольких вещах. Во-первых, он небывало простой. Хотя, как известно, все гениальное — просто. Но самое главное — закон Мура действует по сей день! Хотя попытки предсказать его кончину ведутся уже далеко не одно десятилетие.

Даже спустя полвека трудно найти причину почему так происходит. Когда все начиналось, Intel успела стать лидером отрасли, а Мур — авторитетом, к мнению которого прислушиваются. Поначалу, когда новаторские компании (такие, как Intel) совершали в индустрии свои первые шаги, удвоение числа элементов микропроцессора каждые 24 месяца действительно давало колоссальный эффект. Затем следование закону Мура стало своеобразной путеводной звездой. Ведь в разработке подобных решений принимали и принимают участие большое число людей! На выставке IDF в 2002 году тогдашний 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». Однако подобная путеводная звезда позволяла ставить, казалось бы, нерешаемые цели. Но потом выполнять их! На самом деле, чтобы удвоить за год или за два число транзисторов в микросхеме нужен труд очень большого количества людей.

Закон Мура наглядно. На примере настольных центральных процессоров Intel

Год

Процессор

Количество транзисторов

1971

4004

2 300

1972

8008

2 500

1974

8080

5 000

1978

8086

29 000

1982

286

120 000

1985

386

275 000

1989

486

1 178 000

1993

Pentium

3 100 000

1997

Pentium II

7 500 000

1999

Pentium III

24 000 000

2000

Pentium 4

42 000 000

2004

Pentium 4 Prescott

112 000 000

2006

Core 2 Duo Conroe

291 000 000

2007

Core 2 Duo Wolfdale

411 000 000

2008

Core i7 (Quad)

731 000 000

2011

6-ядерный Core i7, 8-ядерный Xeon E5

2 270 000 000

2014

15-ядерный Xeon Ivy Bridge-EX

4 310 000 000

Как видите, закон Мура не всегда выполнялся и выполняется в первозданном виде. Во-первых, Intel работает над множеством микропроцессоров, предназначенных для мобильных устройств, ноутбуков, персональных компьютеров и серверов. Во-вторых, в последнее время с переходом на новый техпроцесс значительно уменьшается площадь кристалла, а рост количества транзисторов носит лишь маргинальных характер.

Сравнение процессоров Intel 4004 и Intel Core i7-5500U

1971

Год

2015

10 000 нм

Техпроцесс

14 нм

2300

Количество транзисторов

1 300 000 000

$351

Цена

$393

$150

Стоимость 1000 транзисторов

$0,0003

В мейнфрейме IBM z13, представленном в этом году, используется самый «транзисторный» микропроцессор, насчитывающий 7,1 млрд вентилей
В мейнфрейме IBM z13, представленном в этом году, используется самый «транзисторный» микропроцессор, насчитывающий 7,1 млрд вентилей

На сегодняшний день стоимость одного транзистора оценивается ниже, чем, например, стоимость типографской печати одного символа.

Первая версия закона Мура, как мы уже выяснили, была создана еще до появления компании Intel. В те времена Гордон Мур, а также его соратники и единомышленники находились в поиске себя и своих технологий. Основной была идея сделать электронику массовой и доступной. Так что фактор экономики был одним из основополагающих. Поэтому и появилось такое понятие, как стоимость одного транзистора. На нее влияет технология производства (процент выхода исправных чипов). Чем она надежней, тем меньше цена. Поэтому логично, что переход на новый техпроцесс целесообразен лишь тогда, когда стоимость одного транзистора оказывается существенно ниже, чем для текущей технологии. В таком случае получается, что для каждой конкретной технологии существует определенный уровень сложности устройств, выраженный количеством транзисторов в их составе, для которого это применение выгодно. В первой редакции закона Мура график отчетливо отображал, что изменение технормы производства ведет к десятикратному удешевлению стоимости транзистора.

Так что закон Мура — это не только эмпирическое правило удвоения элементов в чипе или же увеличение производительности, как это предположил в свое время Дэвид Хаус. Закон Мура — это закон стоимости микропроцессора и закон поиска «золотой середины».

Карикатура из оригинальной статьи Гордона Мура в журнале Electronics
Карикатура из оригинальной статьи Гордона Мура в журнале Electronics

Именно поэтому он очень часто применяется ко всему рынку компьютерной электроники. Калькуляторы, компьютеры, ноутбуки, мобильные телефоны, коммуникаторы, смартфоны, планшеты, носимая электроника появились тогда, когда и должны были появиться. Именно поэтому очень часто разработки, опережающие свое время, приходится на время (на время ли?) прикрывать. Например, Google Glass. Чем ближе предел возможностей полупроводников, чем меньше остается властвовать закону Мура, тем чаще мы будем видеть такие «плохие концовки». До тех пор, пока не появится новый смельчак, который совершит еще одну технологическую революцию!

Вместо заключения

Закон Мура — это не «какой-нибудь» закон Ньютона, в котором четко оговорены все элементы уравнения. Закон Мура — это наставление. При разработке микропроцессоров, реализуемых затем миллиардами штук, участвуют тысячи человек. И все они заинтересованы в том, чтобы достичь оговоренной в 1975 году цели.

Очевидно, что рано или поздно закон Мура перестанет действовать. Ученые, реализуя свои современные технологии, «упрутся» в возможности материалов. Сейчас на рынке присутствуют процессоры, выполненные согласно 14-нанометровому техпроцессу. Однако известно, что ведутся разработки 10-нм и даже 7-нм решений. А что будет дальше? В 2002 году в рамках все той же выставки IDF Патрик Гелсингер как-то разоткровенничался: «В 1980 году, когда я пришел в Intel, мы ломали голову над тем, как достичь технологической нормы производства микропроцессоров в один микрометр. В девяностые годы перед нами встала задача внедрить технологическую норму в одну десятую микрона. Она казалась нам недостижимой. Сегодня же мы думаем о том, как преодолеть барьер в одну сотую микрона. Могу пообещать вам, что до моей пенсии, то есть в течение еще 25 лет, закон Мура будет действовать. Уверен, что еще не одно десятилетие он будет руководящим принципом развития отрасли». А ведь 10 нм — это всего лишь 50 атомов кремния! Интересно, будем ли мы отмечать 60-летие, а, может, даже 70-летие закона Мура?

Вот такое оно, правило, придуманное одним человеком, но над которым и по сей день трудятся тысячи смельчаков. Такое простое, но в то же время жесткое и беспощадное.

P.S. Прогнозировалось, что к 2015 Intel реализует приблизительно 1200 триллионов транзисторов. Всего же на момент существования технологии, по некоторым подсчетам, было выпущено порядка 2,9 секстиллионов транзисторов!


Автор
Сергей Плотников

Комментарии

Загрузка...