Самая популярная формулировка закона Мура выглядит так: «Количество транзисторов на чипе удваивается каждые 18 месяцев». Но при этом закон Мура — не закон и не Мура. О том, что в прогнозе Говарда Мура осталось законного, рассуждает Юрий Аммосов.
Говард Мур в 1965 году продемонстрировал фактическую зависимость себестоимости производства чипов от числа компонентов на нем (C) Фото: Michelle Andonian / The Henry Ford
Закон другого
Древнейшее из известных доказательств теоремы Пифагора приводится в «Началах» Эвклида, хотя о существовании соотношения между сторонами прямоугольного треугольника упоминают уже шумерские и древнеегипетские тексты.
Законы Кеплера сформулировал Готфрид Лейбниц. Три закона Ньютона сэр Исаак взял у Декарта, Гюйгенса и Гука соответственно. Мюррей Гелл-Манн утверждал, что диаграммы Фейнмана на самом деле должны называться диаграммами Штюкельберга, потому как Эрнст Штюкельберг начал применять такой метод записи за несколько лет до Ричарда Фейнмана.
Тот факт, что редкий эпоним в науке в действительности носит имя своего первооткрывателя, называется законом Стиглера, в честь историка Стивена Стиглера. Стиглер при этом обратил внимание на сей факт, изучая работы социолога Роберта Мёртона, так что закон Стиглера верен и по отношению к самому себе (в России, кстати, он известен под именем закона Арнольда).
Стивен Стиглер заметил, что редкий эпоним в науке носит имя своего первооткрывателя. Фото: Lloyd DeGrane / University of Chicago Library
Точно так же дело обстоит и с законом Говарда Мура, одного из основателей Fairchild Semiconductor и корпорации Intel. Имя закону придумал Карвер Мид, профессор Калтеха и специалист по физике твердого тела. Когда именно это произошло, точно установить не удается, но, по-видимому, после выступления Мура на конференции IEEE по электронике в 1975 году.
Мур и Мид сотрудничали много лет. Мур был директором по исследованиям Fairchild Semiconductor, профессорствовал в Калтехе и брал у Мура забракованные по внешнему виду микросхемы для лаб своих студентов (тогда еще не совсем «микро», а скорее «мини», в терминологии того времени «малая интегральная схема»).
В 1959 году Мид задал Муру вопрос, не упрется ли когда-нибудь миниатюризация в пределы туннельных эффектов. Хотя, по идее, это Мур должен был задавать Миду такие вопросы — поскольку именно разработки Мида в будущем привели к созданию полевого транзистора на основе арсенида галлия, на котором стоит вся современная микроэлектроника.
Мид не ограничился постановкой проблемы и взялся за ее исследование, привлекая к этому своих студентов «Интегрированным микросхемам» в ту пору не было и двух лет, примерно столько же существовала технология фотолитографии посредством ультрафиолета, а планарная технология насчитывала всего несколько месяцев.
На одном чипе, тогда еще германиевом, размещался ровно один транзистор, а чипы на кремниевых «вафлях» только перебирались из лабораторий в производство. Возможно, поэтому расчеты Мида не привели к публикациям. Но именно прикидки Мида заложили базу, с опорой на которую Мур спрогнозировал экспоненциальный рост плотности транзисторов.
Карвер Мид придумал имя закону Мура. Фото: Norman Seeff
Помешали ли в итоге туннельные эффекты миниатюризации микросхем? И да, и нет. С 2002 года появилось несколько, пока лабораторных, вариантов одноатомных транзисторов. Абсолютный нижний предел, ниже которого двигаться некуда, и все же вполне функционирующий. Конечно, туннельные эффекты возникают, но, умеючи, справляться с ними, можно.
Незаконный закон
Можно ли называть законом эмпирическое наблюдение и интерполяцию? Физический или технический закон, по уму, должен иметь теоретическое обоснование, показывающее, из чего «закон» вытекает. Сначала закон Мура был выражен даже не в физических или инженерных, а денежных единицах.
В 1965 году Мур продемонстрировал две кривые фактических зависимостей себестоимости производства чипов Fairchild от числа компонентов на чипе за 1962 и 1965 год. Самый плотный чип 1962 года насчитывал 100 транзисторов. Из них Мур вывел такую же кривую для 1970 года. Нет оснований не доверять данным Мура: он в те годы был человеком на самом острие прогресса. Но первый же вопрос о том, сколько наблюдений включено в график и какова дисперсия этой выборки (а учитывая объем производства, как бы и не генеральной совокупности) сразу бы показал, что надежность прогноза очень условна.
В 1975 году Мур рассматривал проблему миниатюризации уже под другим, техническим углом. Его статья показывает разбивку эффекта на миниатюризацию литографического процесса, сокращение размера кристалла (прямоугольных фрагментов, на которые нарезаются «вафли») и то, что он назвал «продуманными схемами» (circuit cleverness). Будущее показало правоту Мура — прогресс в области микросхем опирался на подход «где силой взять нельзя, там надобна ухватка».
Из «умных» инноваций в области микроэлектроники следует выделить две. Первая — МОП-транзисторов (металл-оксид-полупроводник). В 1974 году Роберт Деннард из IBM обнаружил, что энергопотребление кристалла как целого не изменяется, когда на нем наращивается число транзисторов. А отсюда следовал вывод, что можно наращивать производительность микросхемы, уменьшая ее. Это тот же закон Мура, но на языке физики твердого тела.
18-месячный интервал выполняется именно в том случае, если к закону Мура прилагается масштабирование Деннарда. Сам Мур оценивал время удвоения так: «коэффициент функции может аппроксимировать удвоение примерно за два года вместо одного года на протяжении десятилетия», то есть до 1980–1985 года. «Масштабирование Деннарда» же встретило первое серьезное препятствие в начале 2000-х, когда стала заметна доля паразитных утечек тока (power wall).
Важнейшая роль МОП-транзисторов — переход от специализированных архитектур, способных выполнять только заданный набор команд, к универсальным логическим схемам, и далее к системам-на-чипах (SOC). Сначала внутрь вычислительного устройства переместилась буферная память (cache), затем вычисления с плавающей точкой. Так, шаг за шагом, и стали возможны SOC — устройства, выполненные на одной плате, к которой подключаются устройства ввода-вывода и накопители.
Вторая «умная» инновация 1970–1980-х годов — EDA (electronics design automation, автоматизация проектирования электроники). Первые микросхемы инженеры рисовали на полотнах миллиметровки и выкладывали дорожки из цветного картона. Программные решения резко ускорили этот процесс: самые первые графические редакторы 1970-х, где схемы рисовались еще псевдографикой, уже позволяли сделать за день недельную работу.
В начале 1980-х годов появились возможности использовать для проектирования векторную графику. А на рубеже 1990-х годов был добавлен следующий уровень абстракции в виде языков Verilog и VHDL, которыми логика схем описывалась прямо. Софт создавал по этому коду многоуровневые раскладки схем, алгоритмически их оптимизировал и выполнял над ними автоматические тесты. Одна строка такого кода — эквивалент недель работы электронных КБ 1965 года.
За исполнением «закона Мура», таким образом, стояли не слепые силы природы и математические закономерности, а работа Мура и несчетного числа его коллег, которые искали и нашли много качественных технологических скачков, которые и вызвали результаты, спрогнозированные Муром.
На кону закона
Закон Мура хоронили несчетное число раз (автор насчитал не менее пяти). Последний раз это сделал в 2022 году глава NVidia Дженсен Хуан.
«12-дюймовая [кремниевая] пластина сегодня стоит намного дороже, чем вчера, и не немного, а в разы дороже… Закон Мура мертв. Способность [индустрии] каждые полтора года обеспечивать вдвое большую производительность при той же стоимости или ту же производительность, но вдвое дешевле, исчезла. Закон Мура утратил силу, и поэтому идея, что кристалл со временем дешевеет, к сожалению, осталась в прошлом… Вычислительная техника — это проблема не чипа, а программного обеспечения и чипа».
Кремниевая пластина с процессорами Pentium 4 и автографом Гордона Мура в честь 40-летия закона Мура. Фото: The Science Museum
С той же регулярностью закон Мура и воскрешали. В 2023 году, например, о его реанимации заявил глава Intel Пэт Гелсинджер, предположив, что тот просто вдвое замедлился, и теперь его период составляет три года. В 2019 году в его защиту высказывался топ-менеджер крупнейшего производителя микроэлектроники TSMC Годфри Чен. Живым закон Мура считает и ASML, крупнейший производитель оборудования для изготовления чипов.
Расстановка сил такова: если вы в бизнесе изготовления микросхем, то закон Мура жив, если вы со стороны софта — мертв. Самое интересное в этом споре то, что сам Гордон Мур еще в 2005 году похоронил свой закон. По мнению Мура, его прогноз направил не столько работы в области процессоров, сколько в области твердотельной оперативной памяти (DRAM), изобретенной в 1968 году Деннардом:
«Поначалу оно не оказало большого влияния, я впервые ощутил его, когда японцы вышли на рынок памяти. Прежде казалось, что отрасль в целом движется в произвольном направлении, но как только они занялись производством памяти, у них появился план, и они заняли лидирующие позиции в этой области. В этом отношении все было бы иначе, если бы мы не заметили эту тенденцию. Мне повезло, поскольку я, работая в Fairchild, мог смотреть дальше, чем большинство людей в авангарде технологической индустрии».
Роберт Деннард обнаружил эффект, из которого следовало, что можно наращивать производительность микросхемы, уменьшая ее. Фото: Alan Orling
По данным австралийского историка науки Джона Маккаллума цена килобайта «оперативки» упала с 1970-го по 1980-й на два порядка, и еще на два порядка — с 1980 по 1990 год. Это расширило возможности компьютерной техники ничуть не меньше, чем рост вычислительной мощности.
Но актуальность закона Мура уже далеко не та, как в 1965-м или в 1975 году. «Умный» подход, который обеспечил компьютерную революцию, свернул в сторону от «больше, больше, больше» к «иначе». Первой приметой, пожалуй, стоит считать маневр Intel, которая стала добавлять к «процессорам» x86 «сопроцессор» x87, спроектированный специально для вычислений с плавающей точкой. А ключевым переломом можно назвать появление на рубеже тысячелетий мультиядерных архитектур, когда вычислительные процессы стали распределять на 4, 8, 16 менее мощных по отдельности ядер. У этого подхода тоже есть тонкости, в частности «закон Амдала», согласно которому скорость вычисления — это скорость самого узкого «бутылочного горлышка» алгоритма. Но с вычислительной мощностью это уже не связано.
Так что закон Мура жив как цель и желание выжать как можно больше логических операций — из киловатта энергии, сантиметра чипа, грамма кремния, полупроводника и металла. И мертв: он не полагает препятствий развитию вычислительной техники. С умом — можно двигаться так же быстро, а то и быстрее, если надо.
Константой остается только одно, и только в этом смысле закон Мура — закон. Как бы быстро, эффективно, дешево ни было — роду человеческому всегда хочется еще быстрее, эффективнее и дешевле. Это закон, но не природы, а природы человека.
Автор благодарит выпускника МФТИ 1991 года Юрия Панчула, ведущего инженера-разработчика GPU Samsung Advanced Computing Lab за консультации и ценные советы.
2
