Mūro dėsnis: apibrėžimas, istorija ir įtaka puslaidininkių pramonei

Mūro dėsnis: sužinokite jo istoriją, principus ir poveikį puslaidininkių pramonei — kaip eksponentinis technologijų augimas transformuoja elektroniką, našumą ir ekonomiką.

Pagal Mūro dėsnį tranzistorių skaičius integrinėse grandinėse padvigubėja maždaug kas dvejus metus. "Intel" vadovas Deividas Hausas (David House) sakė, kad šis laikotarpis yra "18 mėnesių". Jis numatė, kad šiuo laikotarpiu lustų našumas padvigubės: tai daugiau tranzistorių ir jų spartos poveikio derinys.

Įstatymas pavadintas vieno iš "Intel" įkūrėjų Gordono Mūro (Gordon Moore), kuris šią tendenciją aprašė 1965 m. straipsnyje, vardu. Straipsnyje teigiama, kad nuo integrinio grandyno išradimo 1958 m. iki 1965 m. integrinių grandynų komponentų skaičius kasmet padvigubėdavo, ir prognozuojama, kad ši tendencija tęsis "mažiausiai dešimt metų". Jo prognozė pasirodė esanti labai tiksli. Puslaidininkių pramonėje šis dėsnis naudojamas ilgalaikiam planavimui ir mokslinių tyrimų bei plėtros tikslams nustatyti.

Daugelio skaitmeninių elektroninių prietaisų galimybės yra glaudžiai susijusios su Mūro dėsniu: apdorojimo sparta, atminties talpa, jutikliai ir net skaitmeninių fotoaparatų pikselių skaičius bei dydis. Visi jie taip pat tobulėja (maždaug) eksponentiniu greičiu.

Šis eksponentinis tobulėjimas labai padidino skaitmeninės elektronikos poveikį pasaulio ekonomikai. Mūro dėsnis apibūdina XX a. pabaigos ir XXI a. pradžios technologinių ir socialinių pokyčių varomąją jėgą.

Ši tendencija tęsiasi jau daugiau nei pusę amžiaus. 2015 m. "Intel" pareiškė, kad pažangos tempas sulėtėjo. Bendrovės "Intel" generalinis direktorius Brianas Krzanichas (Brian Krzanich) paskelbė, kad "mūsų kadencija šiandien yra artimesnė dvejiems su puse metų nei dvejiems".

Apibrėžimas ir prasmė

Mūro dėsnį galima suprasti dviem artimai susijusiomis reikšmėmis: kaip istorinę pastabą apie tranzistorių skaičiaus augimą integriniuose grandynuose ir kaip pramonės tikslą ar taisyklę, pagal kurią planuojami gamybos, tyrimų ir investicijų ciklai. Praktikoje dažnai pabrėžiama, kad ne tiek pats tranzistorių skaičius, kiek jų kainos ir lustų našumas mažėjančia kaina — leido kasmet arba kas dvejus metus naudotojams gauti gerokai daugiau skaičiavimo galios už tą patį pinigų kiekį.

Istorija trumpai

1965 m. Gordono Mūro straipsnyje pastebėta tendencija — komponentų skaičius integriniuose grandynuose keletą pastarųjų metų padvigubėdavo kasmet — ir prognozuota, kad taip bus dar mažiausiai dešimtmetį. Vėliau pastebėjimas buvo suformuluotas plačiau: maždaug kas dvejus metus tranzistorių skaičius dvigubėja. 1975 m. Mūras pats šią prognozę sušvelnino ir ilgesniame laikotarpyje priartino prie dviejų metų periodo. 1980–1990 m. industrijoje populiariu tapo Deivido Hauso tikslinimas — kas 18 mėn. dvigubėja našumas (tranzistorių skaičiaus augimas kartu su spartėjimu).

Techninis pagrindas ir priežastys

Pradinį Mūro dėsniui leido realizuoti keli techniniai ir gamybiniai veiksniai:

• Pakartotinės litografijos gerinimas ir mažesni technologiniai mazgai, leidžiantys tilpti daugiau tranzistorių tame pačiame plote;
• Inžineriniai sprendimai, tokie kaip plonų sluoksnių technologijos, pažangios antirefleksinės dangos, fotolitografija ir kt.;
• Elektronikos komponentų integracijos didėjimas — daugiau logikos blokų, atminties, specializuotų blokų ant vieno lusto;
• Ekonomijos mastas gamyboje ir nuolatinės investicijos į R&D, leidusios mažinti vienetinę kainą ir spartinti diegimą.

Iš pradžių kartu su tranzistorių mažėjimu ir tolesniu diegimu veikė ir vadinamasis Dennardo skalavimas — dažnio ir energijos tankio santykio pagerėjimas, todėl kiekviena nauja technologija leido dirbti greičiau be proporcingo energijos padidėjimo. Tačiau vėliau (maždaug nuo 2000‑ųjų vidurio) šis principas ėmė mažėti arba nutrūko, todėl vien tranzistorių miniatiūrėjimas nebėra toks tiesioginis kelias į didesnį dažnį ar mažesnį energijos suvartojimą.

Apribojimai ir lėtėjimo priežastys

Nors Mūro dėsnio tendencija išliko ilgą laiką, nuo 2000‑ųjų vidurio pastebimas lėtėjimas ir keitimosi kryptys. Pagrindinės priežastys:

• Fizinės ribos: kvantinių reiškinių (tuneliavimo), nepageidaujamų srovių ir difuzijos problemos, kai tranzistoriai tampa kelių nanometrų dydžio;
• Šilumos valdymas ir energijos tankis: procesorių šilumos sklaida ir energetinis efektyvumas tapo esminėmis problemomis;
• Vis didėjančios gamybos sąnaudos: mažesni mazgai reikalauja didžiulių investicijų į įrangą (pvz., EUV litografiją) ir plėtros darbą, todėl ekonominė nauda mažėja;
• Architektūriniai pokyčiai: vietoje vieno spartėjančio branduolio atsirado daugiabranduoliai sprendimai, o pastaraisiais metais — specializuoti akceleratoriai (GPU, TPU, kiti AI varikliai), kurie geriau tenkina tam tikras užduotis nei tolesnis bendrojo paskirties branduolių mažinimas.

Įtaka puslaidininkių pramonei ir visuomenei

Puslaidininkių pramonė naudojo Mūro dėsnį kaip planavimo priemonę: įmonės, tiekėjai ir investuotojai suderindavo investicijas, tyrimus ir gamybos linijas pagal numatomą technologinį proveržį. Tai skatino spartų kompiuterių, išmaniųjų telefonų, interneto paslaugų, debesų kompiuterių ir dirbtinio intelekto plėtrą. Mažesnė kaina už transistorį reiškė, kad skaičiavimo galia tapo prieinama plačiam vartotojų ir verslo ratui, kas transformavo ekonomiką ir kasdienį gyvenimą.

Ateitis ir perspektyvos

Net jei griežtas Mūro dėsnis (tranzistorių skaičiaus dvigubinimas per nustatytą periodą) nebėra toks vienareikšmis, toliau vyksta spartus technologijų tobulėjimas, bet jis labiau įvairialypis ir architektūriškai orientuotas. Pagrindinės kryptys:

• Heterogeniškos architektūros: integruojami specializuoti akceleratoriai (AI, kriptografija, vaizdo apdorojimas) greitesniam ir energiją taupančiam skaičiavimui;
• Chiplet‘ai ir 3D pakavimas: ketinimas sujungti kelis „mažesnius“ lustus į vieną modulį, taip tęsant funkcionalumo augimą be vieno labai didelio monolito;
• Pažangi litografija ir naujos transistorinės architektūros (FinFET, GAA ir kt.), naujos medžiagos ir procesai;
• Programinės įrangos ir aparatūros sąveika: optimizuotos programos ir kompiliatoriai padeda išnaudoti turimas aparatinio lygio galimybes efektyviau nei vien tik mažinant tranzistorių dydį;
• Alternatyvios skaičiavimo paradigmos: kvantinis skaičiavimas, neuromorfiniai lustai ir kiti požiūriai, kurie gali papildyti tradicinę CMOS technologiją tam tikroms užduotims.

Santrauka

Mūro dėsnio svarba — tiek kaip istorinio pastebėjimo, tiek kaip pramonės gairės — yra akivaizdi: jis formavo lūkesčius dėl technologijų vystymosi ir skatino dideles investicijas į puslaidininkių gamybą bei tyrimus. Nors griežtas dvigubėjimo tempas lėtėja ir keičiasi, pats principas — spartus, eksponentinis skaičiavimo galios augimas ir tolygus simptomų poveikis ekonomikai — išlieka reikšmingas. Šiandien pramonė orientuojasi ne vien į transistorinio tankio didinimą, bet į sistemas, kurios optimaliai sujungia aparatūrą, programinę įrangą ir naujas technologijas siekiant tolesnio naudingumo ir efektyvumo.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra Mūro dėsnis?

Klausimas: Kas numatė, kad lustų našumas padvigubės?

K.: Kada ši tendencija buvo aprašyta pirmą kartą?

K: Kiek tiksli buvo prognozė?

K: Kokią reikšmę Mūro dėsnis turi skaitmeninei elektronikai?

K.: Kaip ilgai tęsiasi ši tendencija?

Klausimas: Ar pastaruoju metu pasikeitė komponentų padvigubinimo dažnumas integrinėse grandinėse?

Paieška pagal raidę