Mikä on mooren laki ja mihin se on tarkoitettu?

Mooren laki viittaa Intelin perustajan Gordon Mooren vuonna 1965 esittämään havaintoon, jossa hän huomasi, että transistorien lukumäärä neliötuumaa kohti integroiduissa piireissä on kaksinkertaistunut vuosi toisensa jälkeen sen keksinnöstä.

Mooren laki ennustaa, että tämä suuntaus pysyy ennallaan tulevina vuosina. Vaikka nopeus on laskenut, transistorien lukumäärä neliötuumaa kohti kaksinkertaistui noin puolitoista vuotta. Tätä käytetään Mooren lain nykyisenä määritelmänä.

Sisällysluettelo

Tämän lain yksinkertaistetun version mukaan prosessorin nopeus tai tietokoneiden kokonaislaskentateho kaksinkertaistuu kahden vuoden välein. Nopea tarkastus eri tietokoneyritysten teknikkojen välillä osoittaa, että termi ei ole kovin suosittu, mutta sääntö hyväksytään edelleen.

Jos tutkisimme prosessorin nopeutta 1970 - 2018 ja sitten uudelleen vuonna 2019, saatamme ajatella, että laki on saavuttanut rajansa tai lähestyy. 1970-luvulla prosessorin nopeudet vaihtelivat 740 KHz: stä 8 MHz: iin, mutta laki on itse asiassa tarkempi soveltaa transistoreihin kuin nopeuteen.

Laskentatehon määrä, jota nyt voimme käyttää pienimmissä laitteissa, on hiukan huomattava verrattuna siihen, mikä voitaisiin esimerkiksi saavuttaa kymmenen vuotta sitten.

Edelleen viiteen vuoteen verrattuna tuolloin parhaan mahdollisen tietokoneen katsotaan olevan vanhentunut verrattuna nykyiseen tietokoneeseen.

Tämä on mahdollista yksinkertaisesti siksi, että siruvalmistajat pystyvät lisäämään sirulla olevien transistorien määrää merkittävästi vuosittain, koska sirututkimuksen edistyminen paranee.

Mooren lain jatke on, että tietokoneet, tietokonekäyttöiset komponentit ja laskentateho pienenevät ja nopeutuvat ajan myötä, kun integroitujen piirien transistorit muuttuvat tehokkaammiksi.

Transistorit ovat yksinkertaisia ​​elektronisia on-off-kytkimiä, jotka on integroitu mikrosiruihin, suorittimiin ja pieniin sähköpiireihin. Mitä nopeammin ne käsittelevät sähköisiä signaaleja, sitä tehokkaammaksi tietokoneesta tulee.

Myös näiden tehokkaampien tietokoneiden kustannukset laskivat ajan myötä, yleensä noin 30 prosenttia vuodessa. Kun laitteistojen suunnittelijat lisäsivät paremmin integroituja piirejä käyttävien tietokoneiden suorituskykyä, valmistajat pystyivät luomaan parempia koneita, jotka pystyivät automatisoimaan tietyt prosessit. Tämä automaatio loi halvemmat tuotteet kuluttajille, koska laitteistot loivat alhaisemmat työvoimakustannukset.

Mooren laki nyky-yhteiskunnassa

Viisikymmentä vuotta Mooren lain jälkeen nykyyhteiskunta näkee kymmeniä etuja, jotka tämä laki paljastaa. Mobiililaitteet, kuten älypuhelimet ja pöytätietokoneet, eivät toimisi ilman hyvin pieniä prosessoreita. Pienemmät, nopeammat tietokoneet parantavat kuljetusta, terveydenhuoltoa, koulutusta ja energian tuotantoa. Lähes jokainen huipputeknologian yhteiskunnan puoli hyötyy Mooren laki -konseptista.

Nykyään kaikki kuluttajaprosessorit on valmistettu piistä, joka on toiseksi runsas osa maapallonkuoressa, hapen jälkeen. Mutta pii ei ole täydellinen johdin, ja sen mukana olevien elektronien liikkuvuuden rajoitukset asettavat kovan rajan sille, kuinka paksusti voit pakata piitransistoreita.

Mutta virrankulutus ei ole pelkästään valtava ongelma, mutta myös kvantitunneliksi kutsuttu vaikutus voi aiheuttaa ongelmia elektronien pitämisessä tietyn paksuuskynnyksen yli.

Piitransistorien arvo on tällä hetkellä 14 nanometriä, ja vaikka noin 10 nanometrin sirun mallit tulevat pian markkinoille, on päätelty, että Mooren lain noudattamiseksi pitkään, yritysten on luoda uudempia ja parempia materiaaleja seuraavan sukupolven tietokoneiden perustaksi.

Mooren lakia tulevaisuudessa

Nanoteknologian ansiosta jotkut transistorit ovat pienempiä kuin virus. Nämä mikroskooppiset rakenteet sisältävät täydellisesti yhdenmukaistetut pii- ja hiilimolekyylit, jotka auttavat siirtämään sähköä nopeammin piiriä pitkin.

Lopulta transistorien lämpötila tekee mahdotonta luoda pienempiä piirejä, koska transistorien jäähdyttäminen vaatii enemmän energiaa kuin mitä transistorien läpi kulkee. Asiantuntijat osoittavat, että tietokoneiden pitäisi saavuttaa Mooren lain fyysiset rajat joskus lähivuosina. Kun näin tapahtuu, tietotekniikan tutkijoiden on tutkittava täysin uusia tapoja luoda tietokoneita.

Sovellukset ja ohjelmistot voisivat parantaa tulevaisuuden tietokoneiden nopeutta ja tehokkuutta fyysisten prosessien sijasta. Pilvitekniikalla, langattomalla viestinnällä, esineiden Internetillä ja kvanttifysiikalla voisi myös olla tärkeä rooli tietotekniikan innovaatioissa.

Edistyminen piirien lukumäärän kaksinkertaistamiseksi on hidastunut, ja integroidut piirit eivät voi vähentyä paljon, kun transistorit pääsevät lähemmäksi atomin kokoa.

Jossain tulevaisuuden ohjelmisto- tai laitteistokehitys saattaa pitää unelman Mooren laista hengissä. Tietokoneteollisuus näyttää kuitenkin olevan valmis siirtymään toiselle kurssille, joka etenee muutamassa vuodessa.

Mooren lain edistyminen

Vaikka Mooren laki oli sanonut sen kahden vuoden välein, tämä nopea teknisen tuotannon kasvu on lyhentänyt ajanjaksoa sekä teknikkojen että käyttäjien mielessä.

Rajoituksena on, että kun transistorit voidaan luoda niin pieniä kuin atomipartikkelit, prosessorimarkkinoilla ei enää ole kasvunvaraa nopeuksien suhteen.

Moore totesi, että komponenttien kokonaismäärä näissä piireissä oli noin kaksinkertaistunut vuosittain, joten hän ekstrapoloi tämän vuotuisen kopioinnin seuraavaan vuosikymmeneen arvioidessaan, että vuoden 1975 mikropiirit sisältävät huikeat 65 000 komponenttia sirua kohden.

Vuonna 1975 kasvun alkaessa hidastua Moore tarkisti kahden vuoden aikajaksoaan. Hänen tarkistettu laki oli hiukan pessimistinen; Noin 50 vuotta vuoden 1961 jälkeen transistorien määrä kaksinkertaistui noin 18 kuukauden välein. Myöhemmin lehdet viittasivat säännöllisesti Mooren lakiin ikään kuin se olisi teknologialaki, jolla on Newtonin liikkuvuuslakien turvallisuus.

Mikä teki tämän dramaattisen räjähdyksen piirin monimutkaisuudesta mahdolliseksi, oli transistorien pienenevä koko vuosikymmenien ajan.

Alle mikronin mittaiset transistorin ominaisuudet saavutettiin 1980-luvulla, kun dynaamiset hajasaantimuistit (DRAM) alkoivat tarjota megatavua tallennusominaisuuksia.

2000-luvun kynnyksellä nämä ominaisuudet saavuttivat 0, 1 mikronin leveyden, mikä mahdollisti gigatavun muistipiirien ja mikroprosessorien valmistamisen gigahertsin taajuuksilla. Mooren lakia jatkettiin 2000-luvun toisella vuosikymmenellä ottamalla käyttöön kymmenen nanometriset kolmiulotteiset transistorit.

Mooren lain lähellä oleva pää

Koska Mooren laki ehdottaa eksponentiaalista kasvua, se ei todennäköisesti jatka loputtomiin. Useimmat asiantuntijat odottavat Mooren lain kestävän vielä kaksi vuosikymmentä. Jotkut tutkimukset ovat osoittaneet, että fyysiset rajoitukset voitaisiin saavuttaa vuonna 2018.

Puolijohteita käsittelevän kansainvälisen teknologiasuunnitelman (ITRS) tuoreen raportin mukaan, joka sisältää sirun jättiläisiä kuten Intel ja Samsung itse, transistorit voisivat saavuttaa pisteen, jossa niitä ei voitu vähentää edelleen vuoteen 2021 mennessä. Yritykset väittävät, että silloin ei ole enää taloudellisesti mahdollista tehdä niistä pienempiä ja lopulta lopulta Mooren laki.

Tämä tarkoittaa, että vaikka he voisivat fyysisesti pienentyä, he saavuttaisivat teoriassa sen, mitä ITRS kutsuu "taloudelliseksi minimiksi", mikä tarkoittaa, että niin tekeminen tekisi kustannuksista vain kohtuuttomia.

Tämä ei ole ensimmäinen kerta, kun Mooren teoria on kyseenalaistettu. Viime vuonna Intelin toimitusjohtaja Brian Krzanich ilmoitti, että koon muuttaminen transistorista toiseen kestää kaksi tai kaksi ja puoli vuotta. Krzanich kyseenalaisti tämän Intelin ansiotutkimuksen aikana ja sanoi, että valmistusprosessit eivät ole edenneet samalla tahdilla kuin aiemmin.

ITRS uskoo kuitenkin, että tämä ei tarkoita lain taustalla olevan konseptin loppumista, koska valmistajat löytävät yhä innovatiivisempia tapoja ottaa käyttöön enemmän kytkimiä tietyssä tilassa. Otetaan esimerkiksi Intelin 3D NAND -teknologia, johon sisältyy 32 muistikerroksen pinottaminen toistensa päälle, jotta luodaan valtavia tallennuskapasiteetteja.

Loppusanat ja johtopäätös

Tähän saakka Mooren laki on osoittautunut yhä uudestaan ​​ja toistuvasti, ja sen seurauksena on kauan sanottu olevan vastuussa suurimmasta edistymisestä digitaaliaikakaudella, tietokoneista superkoneisiin, johtuen sen Käyttö puolijohdeteollisuudessa pitkän aikavälin suunnittelun ohjaamiseen ja tutkimuksen ja kehityksen tavoitteiden asettamiseen.

Mooren laki on talouden laki, ei fyysinen. Se osoittaa, että jokaisella uudella sirulla on kaksi kertaa enemmän transistoreita, ja sen vuoksi se laskee edellisen sukupolven kapasiteetin samalla tuotantokustannuksella.

Tämä yksinkertainen nyrkkisääntö on auttanut kaikkia teknologisen vallankumouksen edistysaskeleita yli puolen vuosisadan ajan ja määrittelee edelleen nykypäivän tekniikan jatkuvasti laajenevia rajoja antamalla meille mahdollisuuden ottaa käsitteitä kuten tekoäly ja itsenäiset ajoneuvot - ja saada ne toteuttamaan.

Tämä laki sai tunnetuksi, koska ihmiset pitävät laeista, jotka sallivat heidän ennustaa yhden maailman suurimmista teollisuudenaloista, mutta tämän periaatteen fyysinen perusta tarkoittaa, että se on hiukan erilainen ja vähemmän luotettava kuin monet ihmiset uskoo.

Fyysiset rajoitukset näiden sirujen tekemisessä voivat helposti siirtää numeron takaisin viiteen tai enemmän vuotta, mitätöimällä Mooren lain ikuisesti.

Lähdekuvat Wikimedia Commons