Закон количества транзисторов в процессорах (закон Мура) в цифрах и графиках
Закон Мура — наблюдение (изначально сформулированное Гордоном Муром), согласно которому количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца.
Отметим, что часто цитируемый интервал в 18 месяцев связан с прогнозом Давида Хауса из Intel, по мнению которого, производительность процессоров должна удваиваться каждые 18 месяцев из-за сочетания роста количества транзисторов и увеличения тактовых частот процессоров.
Посмотрим, как выполняется правило:
| Год | Количество транзисторов в процессоре |
| 1971 | 2 300 |
| 1974 | 5 000 |
| 1978 | 29 000 |
| 1982 | 134 000 |
| 1985 | 275 000 |
| 1989 | 1 180 000 |
| 1993 | 3 100 000 |
| 1997 | 8 800 000 |
| 2001 | 45 000 000 |
| 2005 | 228 000 000 |
| 2009 | 904 000 000 |
| 2013 | 4 200 000 000 |
| 2017 | 19 200 000 000 |
Фактически, данные подчиняются следующей формуле:
P(2017) = 19293798400, что примерно соответствует актуальному значению на 2017 год = 19200000000 транзисторов на кристалл.
Исполнение закона Мура в 1971-2018 годах
В 1965 году (через шесть лет после изобретения интегральной схемы) один из основателей Intel Гордон Мур в процессе подготовки выступления нашел закономерность: появление новых моделей микросхем наблюдалось спустя примерно год после предшественников, при этом количество транзисторов в них возрастало каждый раз приблизительно вдвое.
Он предсказал, что к 1975 году количество элементов в чипе вырастет до 2 16 (65536) с 2 6 (64) в 1965 году. Мур пришел к выводу, что при сохранении этой тенденции мощность вычислительных устройств за относительно короткий промежуток времени может вырасти экспоненциально.Это наблюдение получило название — закон Мура.
В 1975 году Гордон Мур внёс в свой закон коррективы, согласно которым удвоение числа транзисторов будет происходить каждые два года (24 месяца).
Существует масса схожих утверждений, которые характеризуют процессы экспоненциального роста, также именуемых «законами Мура». К примеру, менее известный «второй закон Мура», введённый в 1998 году Юджином Мейераном, который гласит, что стоимость фабрик по производству микросхем экспоненциально возрастает с усложнением производимых микросхем.
По поводу эффектов, обусловленных законом Мура, в журнале «В мире науки» как-то было приведено такое интересное сравнение: «Если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как промышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолёт Boeing 767 стоил бы 500 долл. и совершал облёт земного шара за 20 минут, затрачивая при этом 20 литров топлива. Приведенные цифры весьма точно отражают снижение стоимости, рост быстродействия и повышение экономичности ЭВМ».
Рост числа транзисторов на кристалле микропроцессора (1970-2016). Точки соответствуют наблюдаемым данным, а прямая — периоду удвоения в 24 месяца.
На графике отображены данные о количестве транзисторов в процессорах, производительности, потреблению энергии, количеству логических ядер.
Вместе с тем на прошедшей в рамках выставки CES 2019 пресс-конференции, глава компании NVIDIA Дженсен Хуанг (Jensen Huang) объявил закон Мура более невозможным. Об этом сообщило издание CNET. Дженсен Хуанг заявил, следующее: «Закон Мура более невозможен».
Как теперь отметил топ-менеджер NVIDIA на сессии вопросов и ответов перед небольшим количеством журналистов, прямо сейчас закон Мура выражается в росте на несколько процентов каждый год и удвоение можно ожидать только каждые десять лет.
Интересно, что ещё в 2010 году вице-президент NVIDIA Билл Дэлли (Bill Dally) в своей колонке для журнала Forbes объявил о смерти так называемого закона Мура и отметил, что будущее за параллельными вычислениями.
Закон масштабирования Деннарда и его исполнение
Закон сформулировал в 1974 году разработчик динамической памяти DRAM Роберт Деннард (Robert Dennard) совместно с коллегами из IBM:
«Известно, что уменьшая размеры транзистора и повышая тактовую частоту процессора, мы повышаем повышать его производительность».
Закон Куми и его исполнение
Закон сформулировал в 2011 году профессор Стэнфорда Джонатан Куми (Jonathan Koomey). Совместно с сотрудниками Microsoft, Intel и университета Карнеги-Меллона он сделал следующий вывод исходя из информации об энергопотреблении вычислительных систем начиная с ЭВМ ENIAC (1946):
«Можно утверждать, что объем вычислений на киловатт энергии при статической нагрузке удваивается каждые полтора года». Утверждение, в частности уточняло, что и энергопотребление компьютеров за прошедшие годы также выросло.
Спустя десятилетие после формулировки этого закона выяснилось, что средняя производительность чипа на киловатт энергии теперь удваивается каждые три года. Ситуация поменялась из-за трудностей, связанных с охлаждением чипов (как и было описано выше, с уменьшением размеров транзисторов становится труднее отводить тепло)
Будущее не за горами?
Да, вовсю разрабатываются технологии охлаждения чипов. Однако об их массовом внедрении пока говорить не приходится. К примеру, разработчики из университета в Нью-Йорке предложили использовать лазерную 3D-печать для нанесения на кристалл тонкого теплопроводящего слоя, в который входит титан, олово и серебро. Теплопроводность такого материала аж в 7 раз лучше, чем у иных термоинтерфейсов.
Надо отметить, что в своем исследовании физик Ричарда Фейнмана (Richard Feynman) еще в 1985 году отметил, что показатель энергоэффективности процессоров способен вырасти в 100 млрд раз. Однако по состоянию на 2019 год это значение не увеличилось и в 100 тысяч раз. Мы привыкли к высоким темпам роста вычислительных мощностей, инженеры ищут способы продлить действие закона Мура и преодолеть трудности, продиктованные законами Куми и Деннарда. Решением могут стать замена основных конструктивных элементов на кардинально новые.
Транзистор
Предисловие
Изобретение транзистора около 60 лет назад стало важнейшим фактором, стимулировавшим внедрение многих инноваций и развитие новых технологий. Именно транзистор — крошечное устройство, элемент микросхемы, действующий подобно миниатюрному выключателю, и тем самым позволяющий реализовывать алгоритмы обработки информации обеспечил феноменальный триумф компьютеров.
Если бы не он, ваш компьютер был бы грудой металлолома размером с трехэтажный дом, а ноутбуки можно было бы увидеть только в фантастических сериалах. Телевизоры все еще работали бы на электронных лампах, а мобильные телефоны еще носились бы за спиной как полевые рации. Без лишней скромности можно сказать, что это изобретение изменило мир. С чего же все начиналось?
Изобретение транзистора
Официальной датой появления на свет первого транзистора считается 23 декабря (по Другим данным — 16 декабря) 1947 года. Авторами этого замечательного изобретения стали сотрудники научно-исследовательского центра Bell Labs американские физики Уильям Шокли (William Shockley), Джон Бардин (John Bardeen) и Уолтер Браттейн (Walter Brattain). Правда, первоначально ученая общественность встретила это изобретение достаточно прохладно, но уже в 1956 году все три американца были удостоены Нобелевской премии в области физики. Ну, а само название — «транзистор» придумал их коллега Джон Пирс (John R. Pierce). В мае 1948 года он победил во внутреннем конкурсе, организованном среди сотрудников лаборатории, на самое удачное название изобретения, которому на тот момент исполнилось всего несколько месяцев.
Слово «transistor» образовано путем соединения двух терминов: «transconductance» (активная межэлектродная проводимость) и «variable resistor» или «varistor» (переменное сопротивление, варистор). Транзистор, по существу, делает то же, что и обычный выключатель: включает и выключает ток. Положение «включено» для транзистора означает «1», положение выключено — «0». Огромное количество транзисторов интегральной микросхемы генерирует единицы и нули, которые складываются в понятный компьютеру бинарный код, который компьютер использует в процессе вычислений, обработки текста, воспроизведения фильмов и аудио. Современные транзисторы могут включаться-выключаться 300 миллиардов раз в секунду.
Прежде, чем появился транзистор, его роль выполняла вакуумная трубка. Когда она гасла, это означало «0», когда включалась – «1».
Технология была малоэффективной, для того, чтобы выполнить простейшее математическое действие, требовалось множество таких трубок. Очень быстро транзистор позволил полностью отказаться от использования вакуумных трубок.
Быстрое распространение
Чтобы максимально ускорить популяризацию транзисторов, в научно-исследовательском центре Bell Labs было принято решение продать лицензию на транзисторные технологии. Лицензию стоимостью 25000 долларов США приобрели двадцать шесть компаний. Однако, для коммерческого успеха транзисторных технологий нужно было привлечь внимание массовой аудитории. Это стало возможным, благодаря транзисторным радиоприемникам. Первая модель такого устройства, Одержавшая аж четыре транзистора, была представлена в октябре 1954 года. Этим сразу воспользовалась молодежь, получившая возможность вырваться из-под родительской опеки и самоутвердиться с помощью новой субкультуры.
Так, портативное радио стимулировало новую революцию и в музыке — в эфире повсеместно зазвучал рок-н-ролл! С появлением портативного радиоприемника радиоманы обрели возможность слушать музыку и получать информацию в любом месте. Подобно транзисторному радиоприемнику, транзисторы начали вытеснять громоздкие и хрупкие лампы с невероятной скоростью.
Интегральная микросхема
К концу 50-х годов транзистор «обосновался» в радиоприемниках, телефонах и ЭВМ, и хотя его размеры были намного меньше, чем у электронных ламп, для создания нового поколения электронных устройств этого было явно недостаточно. Чтобы реализовать огромный вычислительный потенциал транзисторов, приспособить их для массового производства и снизить стоимость, потребовалось еще одно важное изобретение. В 1958 году Джек Килби (Jack Kilby) из компании Texas Instruments и Роберт Нойс (Robert Noyce) из компании Fairchild Semiconductor, ставший впоследствии одним из отцов-основателей корпорации Intel, изобрели способ объединения большого числа полупроводниковых транзисторов в одну интегральную схему.
Это был гигантский шаг вперед — ведь прежде отдельные компоненты электрической схемы приходилось соединять вручную. У микросхем было два преимущества: более низкая стоимость и более высокая производительность. Оба преимущества явились следствием миниатюризации, которая обеспечивала сокращение размеров устройств и необычайную динамичность производственного процесса.
«Закон Мура»
Гордон Мур (Gordon Moore), который в 1968 году вместе с Нойсом основал процессорный гигант «Inter, в одной из журнальных статей сформулировал прогноз, опубликованный в 1965 году и получивший название «закон Мура». Согласно этому закону, число транзисторов в микросхеме должно было удваиваться каждые полтора-два года, что в свою очередь, обеспечивало бы повышение вычислительной мощности и снижение стоимости продукта при его массовом производстве. Возможность размещения множества компактных элементов на поверхности малого раз мера, оказалась решающим фактором для успешного продвижения микросхем.
Производителям микросхем удается поддерживать этот экспоненциальный рост плотности размещения транзисторов в микросхеме на протяжении десятков лет. Первый компьютерный микропроцессор корпорации Intel 4004, выпущенный в 1971 году, содержал 2300 транзисторов. В 1989 году в процессоре Intel 486 их было уже 1 200 000, а в 2000 году процессор Intel Pentium 4-преодолел рубеж в 42 миллиона. Новый четырехъядерный процессор Intel Core 2 Extreme, созданный на базе 45-нанометровой производственной технологии, содержит 320 миллионов транзисторов.
Существует ли предел?
Закону Мура постоянно предсказывают кончину. Бесконечный рост числа транзисторов в микросхеме невозможен — и все-таки производителям процессоров до сих пор удается обходить ограничение. В сентябре прошлого года Гордон Мур заявил, что у закона его имени есть все шансы оставаться в силе еще как минимум лет 10-15, но затем могут возникнуть новые фундаментальные барьеры на пути его реализации. Так или иначе, но этот самый известный закон компьютерного мира XX века ждали трудные времена. Битва за миниатюризацию исчерпала возможности одного из наиболее критических компонентов транзистора: прослойки из диоксида кремния (Si02), служившей изолирующим слоем между затвором транзистора и его каналом, по которому течет ток, когда транзистор включен.
С каждым новым поколением процессоров этот изолирующий слой становился все более тонким — пока два поколения назад его толщина не достигла значения 1,2 нм, или 5 атомов. Инженеры Intel уже не смогли сделать этот слой тоньше хотя бы еще на один атом. По мере уменьшения толщины изолирующего слоя рос ток утечки. Изолирующий слой начал пропускать ток внутрь транзистора, поведение устройства изменилось, оно стало рассеивать все большее количество энергии. В результате выросло потребление тока процессором, при его работе выделялось дополнительное количество тепла.
Преодоление фундаментального предела: гафний вместо кремния
Утечка тока в транзисторе стала серьезнейшей проблемой полупроводниковой отрасли: без прорыва в этой области давно предсказанный фундаментальный предел становился непреодолимым. Причем, это означало не только конец закона Мура — цифровая революция последних десятилетий внезапно бы прекратилась. Компьютерные процессоры, практически удваивавшие свою производительность каждые 24 месяца, могли исчезнуть навсегда!
Чтобы найти выход из кризиса, нужно было увеличить толщину изолирующего слоя, но изготавливать этот более толстый слой из другого материала с более высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости (high-k) для сохранения характера взаимодействия затвора и канала. В январе 2007 года корпорация Intel объявила, что впервые за сорок лет изолирующий слой будет состоять не из оксида кремния, а из материала на основе гафния, превосходящего кремний по электрическим свойствам и позволяющего снизить ток утечки в десять раз. Сам Гордон Мур назвал это крупное достижение «самым важным изменением транзисторных технологий с конца шестидесятых годов». Однако данный прорыв решал проблему лишь наполовину. Новый материал оказался несовместимым с важным компонентом транзистора — с затвором. Еще хуже то, что транзисторы с новым изолирующим материалом работали менее эффективно, чем со старым. Тогда было предложено заменить и материал затвора: корпорация Intel открыла уникальное сочетание металлов, состав которого держится в строгом секрете.
Что мы имеем на сегодня?
12 ноября 2007 года корпорация Intel представила новое поколение процессоров на основе этих материалов и 45-нанометровой производственной технологии — Core 2 Duo, Core 2 Extreme, Core 2 Quad. Новая производственная технология, более тонкая, чем предыдущая 65-нанометровая, позволила Intel почти вдвое увеличить число транзисторов, размещаемых на той же площади кристалла — теперь можно было выбирать между увеличением общего числа транзисторов и уменьшением размеров процессора. Новым транзисторам требуется на 30% меньше энергии для включения и выключения. В итоге, новое поколение процессоров Intel, изготовленных по 45-нанометровой производственной технологии, не только демонстрирует рекордную производительность, но и знаменует прорыв в области энергопотребления.
Повышение вычислительной мощности, являющееся следствием закона Мура, позволяет человечеству эффективнее просчитывать пути разрешения важнейших стоящих перед ним проблем: вменение климата, наследственные болезни, тайны генетики и др. Современные пути и темпы решения подобных проблем еще пять лет назад трудно было себе даже представить. Новые приложения помогают изменить нашу жизнь и сделать ее еще более безопасной… Исследователи не думают, что в ближайшем будущем появится технология, которая сможет соперничать со стариной транзистором.
Вице-президент Intel Уилл Своуп считает транзистор величайшим изобретением человечества (интересно, была бы у него работа, если бы не этот кусочек металла). Он сказал, что раньше за один раз получалось делать один транзистор. Сейчас за один раз делается один миллиард. Он прошел путь от лабораторного экземпляра, работающего в одиночку, до устройства, способного связываться с 800 миллионами таких же, и все они могут уместиться на 10-копеечной монете. В Intel верят, что с помощью транзисторов в любом сотовом телефоне появится устный переводчик, который в реальном времени будет переводить голос вашего друга из Китая, Индии, или любой другой страны на ваш родной язык. Нет ни одного устройства в мире, которое за этот срок настолько бы усовершенствовалось. Ни одно устройство в мире не развивалось с такой скоростью!
Количество транзисторов в процессоре:
Процессоры и производственная технология (техпроцесс):
Что такое Закон Мура и как он работает теперь? Разбор
Закон Мура гласит: “Количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца”. Вы наверняка слышали про этот закон. А еще вы наверняка слышали, что он больше не работает.
Но, если посмотреть на реальные цифры реальных процессоров, мы увидим, что Закон Мура, удивительно точно работает по сей день, вот уже 50 лет.
Тем не менее, мы с вами на собственном опыте чувствуем, что прогресс замедлился. Несмотря на двукратный прирост транзисторов, мы не видим двукратного прироста производительности. Поэтому сегодня мы разберёмся. Что не так с Законом Мура?
Но самое интересное, что важный перелом произошел на рубеже нулевых и 2010-х. И нужны были новые решения.
С какими сложностями столкнулось человечество и как мы их обошли? И чего нам ждать, когда закон Мура действительно перестанет работать?
Закон не закон
Начнём, с того, что закон Мура на самом деле никакой не закон, а просто наблюдение Гордона Мура, основателя Fairchild Semiconductor, а также Intel.
С момента изобретения интегральной схемы в 1959 году количество транзисторов на микрочипах вырастало в среднем в два раза каждый год. Гордон Мур это заметил, и сказал: Всё! Так и будет.
А в 1975 году он внес поправку, и сказал:» Нет, всё таки, каждые два года».
На что ребята из Intel ответили: Ок, кажется, у нас появился план и мы его будем придерживаться. А вся индустрия подстроилась под такой темп.
И это, очень круто. Ведь чем меньше размер транзистора, тем меньше он потребляет тока. А чем больше количество транзисторов, тем выше вычислительная мощность. Причем зависимости прямо пропорциональные.
А значит, чем больше маленький транзисторов получится разместить на чипе, тем лучше.
Возьмем современный пример:
Например, в первом ASUS Zenbook который вышел в 2011 году стоял процессор Intel Core i7-2677M. В нём было 624 миллиона транзисторов. Звучит неплохо, с учетом того, что когда Мур придумывал свой закон в 65 году в актуальном процессоре было всего 64 транзистора, не миллионов, всего 64.
А вот в ZenBook Duo 14, который вышел через 10 лет используется процессор Intel 11-го поколения Core i7-1165G7, в котором уже 8,2 миллиарда транзисторов! Это в 13 раз больше, и это огромный скачок вперед. Но если прикинуть по закону Мура, то транзисторов в этот момент должно было быть как минимум в 2 раза больше — 19,9 миллиардов, на самом деле. Но почему закон замедлился? Смотрите.
Почему Закон Мура работал?
Долгое время Закон Мура работал как часы. Транзисторы уменьшались, их число росло, а мощность возрастала. А это, на секундочку рост по экспоненте, то есть очень быстро!
Обратите внимание, что все графики отражающие Закон Мура изображены в логарифмической шкале, но если перевести график в линейную шкалу, мы поймем какой прорыв совершается каждые два года. В 65 году в микрочипе было 64 транзистора, а сейчас в серверном процессоре AMD Epic их почти 40 миллиардов. Но откуда была такая стабильность?
Скорее всего вы знаете, что процессоры производят путем фотолитографии. Иными словами, лазер светит через трафарет, который называется маской, и процессор буквально выжигается на кремниевой подложке. Это очень похоже на проявку фотографии.
Тут для на нас важен лишь они факт: чем меньше длина волны, с которой светит лазер, тем выше разрешение и меньше техпроцесс!
Наглядная инфографика по лазерам
Так индустрия и развивалась: когда достигали предела разрешения лазера — меняли его на лазер с более короткой длиной волны.
Поначалу использовали дуговые ртутные лампы, а не лазеры, с длиной волны 436 нм — это синий свет. Потом освоили 405 нм — это фиолетовый. И наконец до 365 нм — ближний ультрафиолет. На этом эра ртутных ламп закончилась и началось использование ультрафиолетовых газовых лазеров. Сначала освоили 248 нм — средний ультрафиолет, а потом 193 нм — глубокий ультрафиолет или DUV. Такие лазеры давали максимальное разрешение в 50 нм и на какое-то время этого хватало. Но потом произошел переломный момент…
Переломный момент
К 2006 году надо было осваивать техпроцесс в 40-45 нм. Разрешения лазеров было недостаточно.
Это был тупик! Гиганты Кремниевой Долины потратили сотни миллионов долларов для перехода на 157 нм (лазеры на основе фторид-кальциевой оптики), однако всё было впустую.
Даже сам Гордон Мур в 2007 году сказал: «Мои полномочия как бы всё, из-за фундаментальных причин». Если что, это точная цитата…
Но мы то с вами знаем, что на 45 нм человечество не остановилось. Уже 10 лет назад в первом ZenBook использовалась литография 32 нм. Как же люди смогли обойти оптические ограничения?
Они начали использовать различные хаки:
Из-за этого пришлось поставить крест на росте тактовых частот. Если раньше частоты удваивались так же быстро, как транзисторы, прирост практически остановился.
Десять интересных лет
В итоге, вопреки своим планам, Intel застрял на 14 нм техпроцессе, а тактовые частоты остановили свой рост. И примерно с 2010 года начались 10 интересных лет оптимизаций.
Если раньше прогресс обеспечивался брутальным уменьшением техпроцесса и прирост производительности давался легко, то теперь началась настоящая работа по допиливанию всего того, что человечество придумало за 40 предыдущих лет.
Люди стали искать инновации за пределами Закона Мура:
И вот прошло 10 лет, пока мы с горем пополам производили 14-ти, 10-ти, и даже 7-нанометровые процессоры. Произошло событие, которого все очень долго ждали. Мир перешел на экстремальную УФ-литографию. Длина волны лазера скакнула с 193 нм до 13,5 нм, что является крупнейшим скачком за всю историю создания процессоров. Технологию разрабатывали 81 год и только в 2020 она заработала в полную мощь.
Ключевой момент технологии в том, что она позволит уменьшать техпроцесс вплоть до 1 нм, а это 10 атомов в толщину. И если вы считаете, что это невозможно, это не так. Компания IBM уже в этом году освоила 2 нм. Так, что 1 нм — это лишь дело техники.
Будущее
Но, а что нас ждет за порогом в 1 нм? Как дальше повышать производительность?
Это сложный вопрос. Безусловно люди придумают новую форму транзистора, мы перейдем на нанолистовые транзисторы. Вполне возможно, что люди откажутся от кремния и перейдут на новые материалы. Вариантов на замену есть масса:
Ну и наконец, скорее всего мы полностью откажемся от текущей концепции центрального процессора, основанной на архитектуре Фон Неймана и перейдем на асинхронные нейроморфные процессоры, построенные по подобию человеческого мозга. Кстати, их разработкой занимается тоже Intel.
В любом случае у нас есть еще 5-10 лет, пока транзисторы будут удваиваться по Закону Мура, а потом посмотрим.
