Конец закона Мура

Зададимся, однако, вопросом: как долго еще продлится компьютерная революция? Если закон Мура продержится еще лет пятьдесят, то компьютеры, скорее всего, намного превзойдут по возможностям человеческий мозг. Но к середине века возникнет другая динамика. Как сказал Джордж Харрисон, «все проходит». И действие закона Мура должно прекратиться, а с ним — впечатляющий рост компьютерных мощностей, питавший последние полвека рост мировой экономики.

Сегодня нам кажется естественным — и даже закономерным, — что возможности продуктов компьютерной отрасли растут практически на глазах. Именно поэтому мы каждый год покупаем новые модели, зная, что они почти в два раза мощнее прошлогодних. Но если закон Мура перестанет действовать и каждое следующее поколение компьютеров будет примерно таким же, как предыдущее, то зачем покупать новые компьютеры?

И вообще, процессоры сейчас внедряются в самые разные предметы и приборы, и у многих людей просто не будет необходимости в домашнем компьютере. Последствия для экономики в целом могут быть поистине катастрофическими. Перестанут работать целые отрасли, миллионы людей могут потерять работу, в экономике возникнет неуправляемый хаос.

В прошлом физики не раз указывали на неизбежный конец закона Мура, но промышленники традиционно отмахивались от наших предупреждений и говорили, что ученые, как мальчик из басни, все время кричат «Волк! Волк!». Крах закона Мура так часто предсказывали, говорили они, что мы уже ничему не верим.

Но теперь все иначе.

Два года назад я выступал перед сотрудниками Microsoft в штаб-квартире компании в Сиэтле, штат Вашингтон. Три тысячи лучших инженеров компании, собравшиеся в зале, ждали от меня откровений о будущем компьютеров и телекоммуникаций. В этой огромной аудитории я видел лица молодых инженеров-энтузиастов; именно эти люди создают программы, работающие потом в наших настольных и портативных компьютерах. В отношении закона Мура я сказал прямо: отрасли следует готовиться к этому краху. Лет десять назад мои слова, наверное, были бы встречены смехом и шутками. Но на этот раз я видел перед собой лишь серьезные лица и согласные кивки.

Крах закона Мура — вопрос глобального значения; на кон здесь ставятся триллионы долларов. Но как в точности закончится действие этого закона и что именно его заменит, определят законы природы. Получается, что очень скоро ответы на чисто физические вопросы потрясут основы экономической структуры капитализма.

Чтобы разобраться в этой ситуации, важно осознать, что всеми невероятными свершениями компьютерной революции мы обязаны нескольким физическим принципам. Во-первых, компьютеры считают с такой поразительной быстротой потому, что электрические сигналы движутся по проводам со скоростью, близкой к скорости света — абсолютному пределу для любой скорости во Вселенной. За секунду луч света способен семь раз обогнуть Землю или долететь до Луны. Кроме того, электроны несложно двигать, поскольку они не слишком прочно держатся в атоме (мы легко сдвигаем их с места, расчесывая волосы, проходя по ковру или стирая, — именно так накапливается статическое электричество). Сочетание не слишком прочных связей и молниеносной скорости позволяет нам стремительно посылать по проводам электрические сигналы, что, собственно, и породило электрическую революцию прошлого века.

Во-вторых, количество информации, которую можно передать при помощи лазерного луча, практически ничем не ограничено. Световые волны колеблются во много раз быстрее звуковых и могут нести на себе гораздо больше информации, чем звук. (Представьте, к примеру, длинную натянутую веревку, по которой с одного конца пускают волны. Чем быстрее двигается этот конец, тем больше сигналов умещается на веревке. Поэтому количество информации, которую можно передать при помощи волны, тем больше, чем быстрее она колеблется, т.е. чем больше ее частота.)

Свет — это волна, у которой на одну секунду приходится примерно 1014 циклов (1014— это единица с четырнадцатью нулями). Для передачи одного бита информации (1 или 0) требуется много циклов. Это значит, что оптическое волокно может нести на одной частоте примерно 1011 бит информации. И это число можно еще увеличить, поместив в одно волокно несколько сигналов на разных частотах, а затем связав оптические волокна в единый кабель. Все это означает, что, увеличивая число каналов в кабеле, а затем и число кабелей, можно передавать информацию в почти неограниченных количествах.

В-третьих — и это самое главное, — основой компьютерной революции является миниатюризация транзисторов. Транзистор — это ключ, или управляющий элемент, контролирующий поток электричества. Если сравнить электрический контур с водопроводом, то транзистор — это кран, управляющий потоком воды. Точно так же как простым поворотом ручки крана можно перекрыть сильный поток воды, небольшой электрический ток на управляющем входе транзистора может управлять гораздо более сильным током основной цепи и таким образом усиливаться.

Сердце этой революции — компьютерный чип, электронная микросхема, где на кремниевой подложке размером с ноготь могут разместиться сотни миллионов транзисторов. Внутри любого современного компьютера есть микросхемы, транзисторы на которых можно разглядеть только в микроскоп. Эти невероятно крошечные транзисторы создаются примерно так же, как рисунки на футболках.

Чтобы напечатать рисунок на тысячах футболок, сначала необходимо создать шаблон с контуром этого рисунка. Затем этот шаблон накладывают на футболку и брызгают сверху краской в виде спрея. Краска попадает на ткань только в тех местах, где на шаблоне имеются прорези. Затем шаблон убирают, и на футболке остается идеальная копия рисунка.

Точно так же при производстве микросхем сначала изготавливается шаблон, содержащий сложные контуры миллионов транзисторов. Шаблон помещается на многослойную светочувствительную кремниевую пластину. Затем на шаблон и пластину направляют ультрафиолетовый луч; излучение проникает сквозь прорези в шаблоне и действует на кремниевую пластину.

После этого подложку опускают в кислоту, вытравливая контуры схем и создавая хитрый рисунок миллионов транзисторов. Поскольку пластина состоит из множества проводящих и полупроводящих слоев, кислота проникает на разную глубину и вытравливает в ней различные формы; таким образом можно создавать невероятно сложные электронные схемы.

Закон Мура так неустанно обеспечивал нам экспоненциальный рост мощности компьютеров, в частности, потому, что производители микросхем, отрабатывая технологию, постепенно уменьшали длину волны УФ-излучения, что позволяло им вытравливать на кремниевых пластинках все более и более крошечные транзисторы. Длину волны УФ-излучения можно довести до 10 нм (нанометр — это одна миллиардная часть метра), и самый маленький транзистор, который можно вытравить на подложке таким способом, будет около тридцати атомов в поперечнике.

Но этот процесс не может продолжаться до бесконечности. В какой-то момент мы столкнемся с тем, что вытравить таким способом транзистор размером с один атом физически невозможно. Можно даже прикинуть, когда приблизительно рухнет закон Мура: в тот момент, когда дальнейшая миниатюризация потребует делать транзисторы размером с отдельный атом.

Около 2020 г. или чуть позже закон Мура постепенно перестанет действовать; если не будет найдена новая технология, способная заменить нынешнюю и обеспечить дальнейший прогресс, Кремниевой долине грозит медленное превращение в очередной «ржавый пояс». Согласно законам природы со временем Кремниевая эра закончится и начнется Посткремниевая. Транзисторы станут такими маленькими, что на сцену выйдут квантовая теория или атомная физика — и электроны начнут уходить с проводников и просачиваться куда не положено.

К примеру, представьте, что толщина тончайшего полупроводникового слоя в вашем компьютере достигнет пяти атомов. В этот момент, по законам природы в дело вступит квантовая теория. Принцип неопределенности Гейзенберга утверждает, что невозможно точно знать одновременно положение и скорость частицы. На первый взгляд такой принцип кажется непонятным, но на атомном уровне просто невозможно определить, где в точности находится электрон, а потому никак нельзя гарантировать, что он не выйдет за пределы ультратонкой проволоки или слоя; он непременно просочится оттуда наружу и вызовет короткое замыкание.

Мы обсудим все это более подробно в главе 4, когда речь пойдет о нанотехнологиях. Пока же предположим, что физики нашли подходящую замену кремнию, но мощность компьютеров в новых условиях растет значительно медленнее, чем раньше. Скорее всего, экспоненциальный рост продолжится, но время удвоения мощности составит не 18 месяцев, а по крайней мере несколько лет.

Дата добавления: 2014-10-31 ; просмотров: 7 ; Нарушение авторских прав

lektsii.com

Предложен аналог закона Мура для планет

Группа астрономов предложила аналог закона Мура, применимый в области поиска новых экзопланет. Вычисления ученых показывают, что похожая на Землю планета, на которой могут обитать живые существа, с 50-процентной вероятностью будет найдена к маю 2011 года. Статья исследователей принята к публикации в журнал PLoS ONE. Коротко о работе пишет New Scientist.

Закон Мура был сформулирован в 1965 году одним из основателей компании Intel Гордоном Муром и касается транзисторов на компьютерных чипах. Исходя из скорости развития компьютерных технологий, Мур предсказал, что их число будет удваиваться каждые два года.

Авторы новой работы решили выявить подобное правило для астрономии и с его помощью определить, когда приблизительно могут быть обнаружены похожие на Землю планеты. Впервые внесолнечная планета, или экзопланета, была найдена в 1988 году, и с тех пор число известных астрономам планет у других звезд превысило 490. Для выявления тенденции в динамике открытия новых небесных тел ученые опирались на данные об обнаружении 370 экзопланет.

Для оценки потенциальной обитаемости планеты ученые использовали два основных критерия — ее массу и температуру поверхности. Нулевое значение на шкале обитаемости присваивалось планетам, совершенно непригодным для обитания живых существ земного типа, а единицу получали планеты-близнецы Земли (правда, до сих пор таких не было найдено). Авторы проранжировали по этим критериям 370 экзопланет и соотнесли эти данные с датами их обнаружения.

На основании этих результатов исследователи попытались предсказать, когда будут найдены «двойники» Земли. Вероятность обнаружить такое небесное тело к 2020 году авторы оценили в 75 процентов, а к 2264-му — в 95 процентов.

С выводами ученых согласны не все их коллеги. Критики отмечают, что на сегодняшний день трудно оценить, как прогресс в развитии технологий скажется на скорости открытия новых экзопланет.

m.lenta.ru

Аналоги закона мура

К оглавлению (либо двойной щелчок)

Целью данной работы было накопление технических показателей большого числа микропроцессоров (далее МП) и последующий анализ этих показателей для выявления экспоненциальной или иной закономерности, проверяя таким образом некоторые из утверждений, называемых “законами Мура”. Кроме того, было проведено исследование закона Мура в историческом аспекте, т.к. его формулировка неоднократно менялась на протяжении 40 лет его существования.

Накапливались следующие показатели: число выводов; число транзисторов на кристалле; площадь кристалла; разрешение маски (“feature size”), называемое также технологической нормой; напряжение питания; тактовая частота; заявленная производительность; число линий адреса и данных; поддерживаемый объём адресуемой (“виртуальной”) и физической памяти; число портов ввода-вывода, прерываний, инструкций и регистров. Все накопленные показатели сведены в таблицу. При этом показатели, идущие в списке после числа линий адреса и данных, не анализировались, т.к. они относятся скорее к логической архитектуре МП, чем к его практическому воплощению. Кроме того, эти показатели совпадают в рамках одного семейства МП, поэтому их анализ не столь интересен.

Не накапливались данные о рыночной цене МП, поскольку они доступны лишь для небольшого их числа. Однако анализ этих данных показался мне достаточно интересным, и я использовал результаты других работ.

Накапливались только показатели ЦП, хотя в своей оригинальной форме закон Мура формулировался применительно к ИС вообще, и для его подтверждения анализировались ИС памяти, в производстве которых фирма Intel некогда лидировала.

В других работах был изучен рост плотности транзисторов в ИС памяти, и обнаружен тот же период удвоения (20 мес.), что и мной для ЦП; при этом плотность упаковки ИС памяти постоянно превышает на порядок плотность упаковки ЦП.

Утверждения Мура

Чтобы понять истоки закона Мура, сначала следует рассказать о процессе производства ИС: большой кремниевый цилиндр распиливается на отдельные круглые дольки – “подложки”; на каждой подложке с помощью масок формируется множество одинаковых схем; схемы прямо на подложке проверяются специальным тестером; наконец подложка распиливается на отдельные чипы, и бракованные выбрасываются, а исправные упаковываются в отдельные корпуса. Типичный показатель выхода в производстве чипов – от 20% до 80%.

Таким образом, затраты на производство чипа можно разделить на три части:

• а) затраты на технологию (разработка схемы, постройка фабрик, маркетинг и т.п.) – не зависят от количества произведённых чипов;
• б) затраты на пластину (формирование на ней схем и их проверка) – зависят от количества всех производимых чипов, исправных и неисправных;
• в) затраты на чип (упаковка в корпус, транспортировка и т.п.) – зависят от количества исправных чипов.

19 апреля 1965 г. директор исследовательского отдела Fairchild Semiconductor Гордон Мур (ставший в 1968 г. со-основателем фирмы Intel) опубликовал в юбилейном выпуске журнала “Electronics” статью “Втискивая ещё больше компонентов на интегральные схемы”, посвящённую прогрессу микроэлектроники за эти годы. Один из тезисов этой работы, позже названный “законом Мура”, состоял в следующем: наиболее выгодное число транзисторов на одном кристалле удваивается каждый год. Поясним, что Мур имел в виду.

В 1960-х г.г. фирмы, которые производили микроэлектронику – например Fairchild, – получали заказы на системы целиком: выбор её архитектуры оставался за фирмой-производителем ИС. Один из вопросов, который вставал перед разработчиками при выборе архитектуры – “каким образом разбить логику системы по отдельным ИС?” Если выбрать слишком мелкое дробление (крайний случай – собрать всю систему из отдельных транзисторов), то расходы на упаковку компонентов в отдельные корпуса и их последующую сборку будут слишком большими; если же упаковывать на одном кристалле слишком большие логические блоки, то большой размер получившейся ИС приведёт к повышению брака, т.к. вероятность повредить какой-либо компонент схемы (и стало быть, всю схему целиком – ведь ИС невозможно чинить!) пропорциональна числу компонентов на схеме. Поскольку на кремниевой подложке и на каждой из используемых в производстве ИС масок неизбежно имеется определённое число дефектов, и каждый точечный дефект приводит к браку одной ИС, то (для одних и тех же производственных условий) чем больше будет ИС на подложке, т.е. чем мельче они будут, – тем больше будет выход готовых ИС. Таким образом, существует некоторое оптимальное количество транзисторов, которые выгодно размещать на одном кристалле: большее количество приведёт к уменьшению выхода, меньшее – к увеличению расходов на чип. Мур начертил два графика зависимости цены производства ИС от количества транзисторов на ней – для 1962 и 1965 г.г.; эти две кривые стали неким “логотипом” закона Мура и до сих пор выставлены в качестве иллюстрации на странице сайта Intel, посвящённой закону Мура – несмотря на то, что текст этой страницы, как мы увидим дальше, не имеет к этим кривым ни малейшего отношения.

На основании этих двух графиков Мур и пришёл к своему выводу, формулирующему экспоненциальный рост технологических возможностей: в будущем кремний подложек будет настолько чистым, а маски настолько точными, что выгодно будет выпускать ИС даже с гигантским числом транзисторов. Особо стоит отметить, что его утверждение относится к чисто абстрактным расчётам, учитывающим только возможности современной технологии и не учитывающим конкретные производимые ИС; кроме того, оно относится к построению систем целиком, а не к выпуску на рынок отдельных чипов, которые затем будут собраны в системы кем-то другим. Если вопрос заключается не в распределении заранее известного числа необходимых для системы транзисторов по чипам, а в определении необходимого для продукта (системы или чипа) числа транзисторов, то закон Мура в указанной формулировке неприменим. Как мы видим, сейчас лишь немногие из фирм, производящих ИС, строят системы целиком; большинство, и в их числе Intel, выпускают лишь компоненты по отдельности – МП, контроллеры, память и т.п., оставляя их сборку фирмам-производителям компьютерной техники, а то и конечным пользователям. Можно сказать, что индустрия микроэлектроники решила свою основную проблему – проектирование систем – путём перекладывания её на чужие плечи.

Что касается наиболее выгодного для построения систем проектирования ИС, то Мур в своей работе 1965 г. затронул и эту тему. Он предложил два пути снижения затрат на проектирование систем:

• а) производство массовых ИС, которые могут быть применены во многих различных системах;
• б) разработка универсальных технологий, которые могут быть применены в различных ИС, другими словами – повторное использование проектных решений из одного чипа во многих других.

Сначала, руководствуясь первым подходом, фирма Intel ориентировалась на производство ИС памяти; позже, поскольку производство МП отвечает обоим этим задачам, она полным ходом начала продвижение на рынок своей линейки МП. Другими словами, заказная разработка отдельных систем оказалась менее выгодна, чем использование в них массовых и универсальных МП: хотя практически ни в одной системе возможности МП не используются полностью, его применение обходится дешевле, чем разработка специальной ИС без избыточной функциональности.

Наконец, в своей статье Мур предрекает, что установленная им тенденция продолжит своё существование ещё на протяжении десяти лет. И действительно, в 1975 г. вышла вторая статья Мура – “Прогресс в цифровой интегральной электронике”, анализирующая достижения прошедших 10 лет. Теперь Мур уже анализировал вышедшие на рынок ИС, а не теоретические расчёты; оказывалось, что число транзисторов в них действительно примерно удваивалось каждый год! Предсказание лишь чуть-чуть не сходилось: за 10 лет число транзисторов в чипах должно было возрасти от 50 до 50 000, а возросло только до 16 000. Тогда Мур делает интересный трюк: рассматривает ИС памяти с 32 000 транзисторами, которую Intel только ещё готовила к выпуску в 1975 г. – по сути, несуществующую ещё ИС, – и подсчитывает в ней не только транзисторы, а ещё и конденсаторы – ещё 32 000 штук. Поскольку в своей оригинальной работе Мур пользовался термином “компоненты” – а основную часть компонентов первых ИС и составляли транзисторы – то это вполне законный переход. Другое дело, что сложность ИС и в 1975 г., и сегодня меряют по числу именно транзисторов, в не всех компонентов вместе; Мур же таким образом показал, что его пророчество выполнилось полностью.

Проанализировав рост площади кристалла и уменьшение в размерах компонентов ИС отдельно, Мур нашёл периоды удвоения соответственно в 44 мес. и 6 лет. Вместе это ещё не давало практически наблюдаемого ежегодного удвоения, и Мур ввёл третью составляющую количества транзисторов, упакованных на одной ИС – “остроумие” разводки схем. Пока микроэлектроника только-только осваивала производство ИС, большую часть площади кристалла занимали соединения между транзисторами; постепенно, с переходом к более мощным средствам разводки схем, инженеры получили возможность упаковывать те же самые транзисторы на тех же самых кристаллах более плотно. Теперь же, по словам Мура, этот ресурс почти исчерпал себя – “остроумнее” современных схем уже мало что можно изобрести – и поэтому скорость роста числа транзисторов на кристалле уменьшилась. Новое пророчество Мура – продолжение старой тенденции до 1980 г., а затем удвоение плотности транзисторов каждые 2 года (напомним, теперь уже он рассматривает реально выпущенные чипы). Другие два ресурса – более крупные кристаллы и более мелкие транзисторы – неистощимы, с точки зрения Мура: размер подложки можно увеличивать до тех пор, пока это выгодно (и действительно, до 1985 г. размер подложки постоянно увеличивался), а шаг маски можно уменьшать, переходя на всё более коротковолновое излучение. Интересно, что автоматизация разводки схем уменьшает цену разработки ИС, но вместе с ней и её “остроумие”: транзисторы в ИС фирм, чьи инженеры разводят схемы вручную, бывают упакованы в несколько раз плотнее; таким образом, более “остроумные” схемы иногда оказываются менее выгодны.

В том же 1975 г. администратор Intel Дэвид Хаус (1943), автор слогана “Intel inside”, объявил на конференции, что удвоение числа транзисторов в МП каждые 24 мес., вкупе с увеличением их тактовой частоты, приведёт к удвоению их производительности каждые 18 мес. Это утверждение также часто цитируют как “закон Мура”. Само название “закон Мура” впервые было дано утверждению Мура в его второй работе профессором Caltech Карвером Мидом.

Третья работа Мура на данную тему, вышедшая в 1979 г., уже показывала, что многие ИС на один-два порядка отстают по числу транзисторов от более сложных современных им ИС. Оказалось, что рост числа транзисторов на кристалле – не самоцель; более важно найти применение этим транзисторам, поскольку не любой технологически возможный чип будет востребован на рынке. Значит, снижение скорости роста плотности ИС происходит не из-за “потолка” в “остроумии” схем, а из-за отсутствия зачастую выгоды в помещении на кристалл всех тех транзисторов, которые могут там поместиться. Теперь, когда очевидно отсутствие безоговорочного роста числа транзисторов в чипах, Мур рассматривает наиболее сложные из них – число транзисторов в них по-прежнему удваивалось каждые 24 мес. – и заявляет, что это предел технологических возможностей современной микроэлектроники. В качестве стесняющих производство ИС факторов Мур называет (вместо стоимости производства в первой работе) уже стоимость разработки и технологические ограничения; одно из важных технологических ограничений, которому следует уделять не меньшее внимание, чем самой схеме, – корпус чипа, поскольку новым сложным ИС требовалось всё больше и больше выводов.

Очень важно видеть, что “первый” закон Мура имел экономический характер: какие чипы выгодно производить, а “второй” – уже статистический: какие чипы реально производятся. Ясно, что в реальных условиях никто не станет выбирать число транзисторов в чипе исключительно из экономических соображений, и поэтому число фактически содержащихся на кристалле транзисторов никогда не будет совпадать с теоретически рассчитанным “оптимальным” числом. Цена ИС определяется далеко не только фабричными расходами (на подложку и на чип); если цена разработки чипа в 1965 г. была существенно меньше цены его изготовления, то в 1975 г. это было уже не так. Совершенно выпадают из рассмотрения закона Мура в его первой формулировке затраты и на переоснащение фабрик, и на продвижение продукта на рынок – он рассматривает некую “идеальную” экономику с бесконечным спросом и бесплатной технологией. “Третий” же закон Мура имеет технологический характер: какие чипы – рекордсмены сложности среди реально производимых, т.е. какие чипы технологически возможно производить.

“Законы Мура”

Мы уже познакомились с тремя “законами Мура”, имеющими авторство самого Гордона Мура, и ещё одним – от Дэвида Хауса. Вообще же, известен следующий (возможно, неполный) список формулировок этого закона:

• 1.1 – “наиболее выгодное число транзисторов на кристалле удваивается каждый год”
• 1.2 – “число транзисторов в производимых чипах удваивается каждые два года”
• 1.3 – “технологически возможное число транзисторов на кристалле удваивается каждые два года”
• 2.1 – “производительность МП удваивается каждые 18 мес.”
• 2.2 – “тактовая частота МП удваивается каждые 18 мес.” (т.к. некоторые вообще не разделяют понятия “производительности” и “тактовой частоты”, иногда закон Мура цитируется в предыдущей форме, а для его иллюстрации приводятся графики роста тактовой частоты МП)
• 2.3 – “вычислительная мощность компьютера удваивается каждые 18 мес.” (в рассмотрение добавляется программное и аппаратное обеспечение)
• 2.4 – “доступная вычислительная мощность удваивается каждые 18 мес.” (применительно к человеку/организации/человечеству, т.е. не ограничиваясь одним компьютером)
• 3.1 – “плотность транзисторов на чипе удваивается каждые 18 мес.” (крайне распространённая формулировка, явно противоречащая идее Мура, который рассматривал число транзисторов на ИС в целом)
• 3.2 – “вычислительная мощность, доступная за $1, удваивается каждые 18 мес.” / “цена одного MIPS-а падает вдвое каждые 18 мес.” (в рассмотрение вводится рынок)
• 3.3 – “стоимость чипа падает вдвое каждые 18 мес.” (самая размытая – неясно, что считать “тем же самым” либо “таким же” чипом через 18 мес.)
• 3.4 – “ёмкость памяти/жёстких дисков удваивается каждые 18 мес.” / “цена за 1Мб падает вдвое каждые 18 мес.” (хотя вовсе не о ИС, по-прежнему называется именем Мура)

В первую группу вынесены формулировки Мура, во вторую – развитие его идей другими, в третью – явно несоответствующие его идеям формулировки. Формулировки второй группы вводят в рассмотрение, кроме самих транзисторов на кристалле, их функцию, тем самым сужая поле исследования от ИС вообще до конкретно МП. При этом прямой связи между числом транзисторов на кристалле МП и его производительностью нет вообще: RISC-МП имеют меньше транзисторов, чем CISC-МП, при зачастую большей производительности; МП, программируемые на микрокоде, имеют больше транзисторов, чем с заложенной в схему программой, при меньшей производительности (но при этом могут занимать меньше места, потому что микропрограмма упаковывается плотнее, чем логика схемы). Третья группа формулировок имеет общим с идеями Мура только экспоненциальный рост какой-нибудь характеристики – другими словами, под “законом Мура” подразумевается целый ряд мало связанных тенденций. В общем же, многочисленные его формулировки сходятся лишь в одном: каждые один-два года что-нибудь, да удваивается.

Поскольку “закон Мура” очень легко толковать, притом каждому – по-своему, то и пользуется им в основном пресса, а не инженеры. Он настолько разрекламирован, что кажется незыблемой истиной; среди самых массовых заблуждений его можно сравнить с утверждениями о неком фантастическом числе слов для обозначения снега у эскимосов или о происхождении слова “баг” от мотылька в реле Марка-2 – они тоже настолько распространены, что никому не приходит в голову в них усомниться. Популярность закона Мура выгодна и самим производителям МП, потому что на нём можно сделать хорошую рекламу – именно так сейчас Intel преподносит его на своём сайте: “Инновации Intel продолжают воплощать закон Мура в жизнь. Реализация корпорацией Intel закона Мура – это не просто передовая технология и беспрецедентные заслуги в производстве… Даже спустя десятилетия, закон Мура продолжает выполняться, во многом благодаря непревзойдённому мастерству Intel в области микроэлектроники.” (При этом ни в одном из материалов о законе Мура на сайте Intel не упоминаются чипы других производителей, как если бы действие этого закона распространялось только на МП Intel.) “Закон Мура” очень легко “подтвердить”, если соответствующим образом выбирать факты и их интерпретировать; поэтому же его невозможно “опровергнуть”, т.к. никто и не имеет в виду, что буквально все МП подчиняются ему с абсолютной точностью – а что считать “допустимой погрешностью”? Как показали мои исследования, “законы Мура” выполняются с погрешностью иногда на один-два порядка; считать это допустимым или нет? Формулировки закона Мура можно сравнить с утверждением “люди становятся сильнее каждые 2 года” – можно его считать верным или нет? Что именно и у кого именно предполагается мерять, и как потом сравнивать результаты измерений?

Как если бы уже перечисленных формулировок было недостаточно, существует ещё и “второй закон Мура”, введённый в 1998 г. вторым почётным сотрудником Intel, Юджином Мейераном. Этот “закон” утверждает, что стоимость фабрик, необходимых для производства МП, удваивается с каждым их поколением (примерно 4 года). Таким образом, всё развитие индустрии микроэлектроники как бы описывается двумя “законами Мура”, из которых один его стимулирует, а другой – ограничивает.

Но самый главный вопрос относительно многочисленных “законов Мура” – при чём тут Мур? Даже закрепившийся в формулировках период в 18 мес. не фигурировал ни в одной из его работ. Сам Мур длительное время избегал называть эти утверждения “законом Мура”; в 2000 г. он сказал в интервью: “Название «закон Мура» давалось всякому экспоненциальному изменению, как если бы я изобрёл экспоненту”.

Технологические формулировки

Разберём теперь, как можно было бы “проверить” закон Мура. Самое простое средство – начертить графики и проверить, ложатся ли они на экспоненту – уже встречается с препятствиями: где именно рисовать точки? Каждый МП можно разместить на оси времени во многих точках – по времени готовности его схем, по времени выпуска первых сэмплов, по времени поступления в продажу (это тоже, между прочим, не точка, а интервал в несколько месяцев), или по времени массового использования: формулировки, использующие “доступную вычислительную мощность”, явно логичнее проверять на уже доступных чипах, а не только что выпущенных. Далеко не для всех МП известны все эти временные точки; даже и для тех, для которых они известны, интервалы между ними разнятся – поэтому форма нашего графика будет зависеть от того, какой момент в “жизни” МП мы возьмём за точку отсчёта. Можно было бы начертить графики и для каждой из этих опорных точек (таким образом, число проверяемых “законов Мура” учетверилось бы), но я не стал этого делать именно из-за недостатка данных. Чаще всего в справочных материалах вообще не указывается, что именно приводится как “время начала жизни” МП. Иногда приводится только год, таким образом добавляя дополнительную погрешность по оси времени (на моих графиках для таких МП точки отмечались 1 июня соответствующего года). Уже из этих соображений можно заявить, что точность по времени отмеченных мной точек – ±1,5 года, считая средним “временем жизни” МП 4 года – и что едва ли у графиков в других работах, “проверявших” закон Мура, большая точность.

Нельзя не заметить, что формулировка 1.1 явно задаёт временную координату точки: расчёты стоимости производства ИС, из которых следует оптимальное число транзисторов на них, должны проводиться именно в отмеченный момент, потому что стоимость производства одной и той же ИС постоянно уменьшается в течение всей её “жизни”. Эта формулировка – ещё и единственная, не рассматривающая реально выпускаемые ИС, и поэтому её в принципе невозможно проверить “вообще” (поскольку затраты на производство ИС конкретной фирмой зависят от имеющихся у неё технологий и резко меняются от фирмы к фирме) и крайне трудно проверить для отдельных фирм (поскольку без помощи промышленного шпионажа никак не узнать размеры затрат на отдельные этапы их производства). Насколько я понял, никто, даже сам Мур, и не пытался проверять эту формулировку.

Но кроме этой свободы в выборе “горизонтальных” координат точек, большинство формулировок допускают свободу и “по вертикали”, т.е. вдоль оси той характеристики, которая якобы экспоненциально растёт. А именно: площадь кристалла, а вместе с ней и плотность транзисторов, часто менялись для одной и той же модели МП по мере её выпуска – как только инженеры изобретали более экономичный способ размещения тех же самых транзисторов на кристалле, фирме было выгодно переходить на более мелкие ИС. Подобным же образом обстоит дело с тактовой частотой: для многих МП постепенно выходили всё более “скоростные” модели, зачастую одновременно в нескольких “скоростных” вариантах – так которую из тактовых частот считать частотой самого МП? Не стоит забывать и о т.н. асинхронных МП, чья эра открылась в феврале 1993 г. МП Amulet: такие МП вовсе не имеют тактовой частоты, и каждый их блок работает независимо. Хотя на тактовую частоту вообще не стоит полагаться как на показатель производительности МП, обыватели до сих пор выбирают МП именно по частоте. С 1990-х г.г. и до сих пор производители МП ведут “гонку за мегагерцами”: если до тех пор тактовая частота удваивалась каждые 38 мес., то сейчас – каждые 22 мес. Мегагерцы превратились в оружие рекламы: AMD заявляет, что Intel искусственно вздувает частоту своих МП, будучи не в силах иначе конкурировать с более сложными МП соперников, и маркирует свои чипы “Пентиум-рейтингом” – тактовой частотой МП Intel, которым, по мнению AMD, их чипы равноценны. Действительно, архитектура Pentium-4 ориентирована именно на выжимание мегагерцев без реального повышения производительности; по результатам некоторых тестов, первые модели Pentium-4 (1,5ГГц) уступают даже Pentium-III (1,1ГГц). Таким образом, формулировка 2.2 вообще не имеет практической значимости; можно даже сказать, что она относится к маркетинговой политике фирм-производителей МП, а не к их технологическим достижениям. Кроме всего уже сказанного, тактовая частота – характеристика скорее системы, а не самого МП, т.к. практически все МП допускают больший или меньший “разгон” – эксплуатацию на частоте, превышающей расчётную.

А что, собственно, такое – фигурирующая в формулировке 2.1 “производительность” МП, и из чего она складывается? Традиционно ей считают MIPS-ы, т.е. количество инструкций, которые МП способен выполнить за секунду; соответственно, она складывается из:

• тактовой частоты МП (либо отдельных его блоков в асинхронных МП);
• сложности (число и длина конвейеров, механизмы предсказания переходов и т.д.);
• архитектурных решений (CISC/RISC, “беспорядочное” выполнение);
• степени интеграции (в первую очередь, размер и тип кэш-памяти).

Иначе говоря, производительность МП определяется далеко не только его скоростью и числом транзисторов в нём, как об этом заявлял Хаус. Но при определении собственно величины производительности возникает проблема: какие именно инструкции имеются в виду? Мало того, что более простые инструкции могут выполняться в 100 раз быстрее более сложных, большинство их обращается к памяти, которая работает значительно медленнее МП. Поэтому “по-честному” производителям МП следовало бы указывать, что именно они подразумевают под MIPS-ами в своих проспектах: время выполнения простейших операций, “средних”, или каким-то образом взвешенных “всех вместе”; учитывают ли они операции, обращающиеся к памяти, и если да – то к какой именно, и т.д. Поскольку MIPS-ы – в большей степени теоретическая характеристика МП, рассчитываемая по его схеме или получаемая испытанием его эмулятора, такие подробности не указываются, а каких бы то ни было “стандартов” для определения производительности я не нашёл. Опять же получается, что и формулировка 2.1 оставляет большой простор для манипулирования цифрами вдоль вертикальной оси.

Даже применение к МП формулировок первой группы, говорящих о числе транзисторов в ИС, сопряжено с трудностями: что именно считать МП? Так, 8085 аналогичен 8080 вместе с горстью ИС поддержки; 80186 аналогичен 8086 с горстью ИС поддержки; 386 включает на кристалле менеджер памяти, 486 – арифметический сопроцессор, а MediaGX фирмы Cyrix – даже видео- и аудиоадаптер. Функционально современный МП эквивалентен целой коробке старых ИС, однако для нового МП мы считаем все его транзисторы, а для коробки – только транзисторы ЦП; почему? Начиная с Pentium Pro, современные ЦП включают гигантское количество транзисторов встроенной кэш-памяти; в Itanium их доля в числе всех транзисторов МП достигает 90% (при этом она занимает только треть площади кристалла благодаря более плотной упаковке). Получается, Intel вновь лидирует в торговле памятью, только теперь уже под видом ЦП! Считать или не считать в числе ЦП эту фантастическую уйму транзисторов? Где смог, я постарался посчитать для МП два числа транзисторов – с кэш-памятью и без, из расчёта “64 транзистора на байт кэш-памяти” (там, где мне были известны оба числа, эта оценка сходилась). Естественно, что число транзисторов с кэш-памятью растёт быстрее, чем без неё: для удвоения объёма кэш-памяти не нужно никаких инженерных решений, тогда как для задействования в ЦП вдвое большего числа транзисторов нужно решительно пересматривать его архитектуру. Однако ту проблему, что сейчас и 30 лет назад под ЦП подразумевали функционально различные вещи, едва ли как-то можно обойти. Значит, рост числа транзисторов в ЦП можно разделить на две составляющие: собственно усложнение ЦП и интеграция в него схем поддержки, причём вклад второй составляющей, как правило, больше. Отсюда же отсутствие непосредственной связи между числом транзисторов в МП и его производительностью: усложнение ЦП, вносящее вклад в производительность, мало влияет на число транзисторов во всём МП. Другими словами, формулировки 1.2, 2.1 и 2.2 утверждают три существенно различные вещи, и непонятно, почему интервалы удвоения в них должны совпадать.

Что касается технологических пределов (формулировка 1.3), то кроме уже названного разрыва между возможностями технологии и потребностями рынка (не любой чип, который возможно произвести, удастся выгодно продать), есть и физические ограничения для экспоненциального роста числа транзисторов на чипе: размер подложки не увеличивается с 1996 г.; в 2003 г. было указано, что имеющиеся у нас технологии не позволят сделать разрешение маски меньше 22нм (и до сих пор это не удаётся); наконец, транзисторы невозможно уменьшить до размеров порядка 5нм, потому что на этих расстояниях, когда начинают действовать квантовые законы, туннельный эффект будет нарушать их работу. Другими словами, экспоненциальное расширение технологических барьеров может продолжаться только до 2020-х г.г., причём ошибка в оценке наших возможностей на порядок сейчас будет означать ошибку на несколько лет тогда. По моим оценкам, прогресс в улучшении разрешения маски действительно близок к экспоненциальному с периодом удвоения 50 мес.

Иногда в поддержку всемогущества закона Мура в этой формулировке приводят тот аргумент, что переход на квантовые и биологические компьютеры расширит наши технологические возможности достаточно, чтобы этот закон мог продолжать выполняться. Такие аргументы упускают из внимания, однако, тот факт, что речь идёт именно о числе транзисторов в ИС, а в квантовом или биологическом компьютере тяжело выявить аналог “транзистора”. Если какое-то утверждение об экспоненциальном росте неких характеристик квантовых и биологических компьютеров и будет сформулировано, то это будет ещё один, новый “закон Мура” (а старый автоматически прекратит своё существование вместе с отходом самих ИС в прошлое).

Вычислительная мощность – безразмерная характеристика, показывающая скорость решения системой прикладных задач: если раньше моя задача решалась за 2 часа, а теперь решается за час – значит, вычислительная мощность моей системы удвоилась. Соответственно, в вычислительную мощность входят:

• ёмкость МП, т.е. объём данных, обрабатываемых одной операцией, – “битность”;
• набор инструкций – насколько сложна одна операция и насколько сложны могут быть её операнды;
• производительность системы, т.е. не только МП, но также памяти и устройств ввода-вывода;
• эффективность используемых алгоритмов и компиляторов.

Последнее наиболее важно: технологии компиляторов за 40 лет существования закона Мура продвинулись настолько, что старый исходный код, скомпилированный новым средством, может работать в разы быстрее; более того, и современные МП разрабатываются с учётом удобства последующего написания для них эффективных компиляторов (а не для удобства написания программ в машинных кодах, как раньше). Направление развития современных МП-архитектур – в перекладывании предварительной обработки программы с МП на компилятор; так, в архитектуре EPIC МП Itanium в каждой команде явно указывается, от каких других команд она зависит и с какими может выполняться параллельно. Используемая ныне во всех новых МП RISC-архитектура заключается в том, что генерируемый компилятором код содержит только самые простые команды и операнды (первый коммерческий RISC-МП, названный просто RISC (1982), имел только 32 команды – меньше, чем у 4004!) И если новые важные алгоритмы придумываются не каждый год, то компиляторы совершенствуются постоянно, внося в вычислительную мощность вклад, сравнимый со вкладом МП.

Но даже когда достигнута ясность относительно существа вычислительной мощности, остаётся проблема её измерения: какую задачу выбрать как эталонную? Дело в том, что разные МП ориентированы на выполнение разных задач; именно поэтому до 1990 г. ЦП продавались отдельно от математических сопроцессоров. Более того, разным пользователям важна мощность в выполнении различных задач: именно потому большая их часть не покупала математические сопроцессоры, что им не были нужны высокоточные вычисления. Кроме этого, сами задачи со временем меняются: прикладные пакеты постоянно усложняются, включая в себя всё больше и больше возможностей, и “вбирают” большую часть прироста производительности МП. То, что существуют “стандартные” эталонные задачи, лишь открывает простор для жульничества производителей МП и компиляторов: зачастую они оптимизируются под конкретные тесты.

Опять мы получаем показатель, мало характеризующий “продвинутость” МП: всегда можно составить такой тест, по которому разные МП займут наперёд заданные места. Поэтому формулировки 2.3 и ещё дальше уходящая от характеристик МП 2.4 представляются весьма сомнительными в отношении возможности их проверки: каждый проверяющий легко получит собственные, ни с кем не совпадающие, результаты.

Разные МП оптимизируются для разных задач, и поэтому только по производительности и/или числу транзисторов в них нельзя судить о степени их “продвинутости”: например, МП POWER-4 фирмы IBM (1100ГГц), используемый в её больших ЭВМ, содержит в 16 раз больше транзисторов, чем выпущенный в том же 2001 г. XScale фирмы Intel (133МГц), используемый в КПК. Вопрос “кто из них лучше” не может иметь ответа: в КПК, где компактность и низкое энергопотребление важнее скорости арифметических операций, более простой МП уместнее, чем прожорливый монстр. Каждый МП разрабатывается исходя из цели его применения, а не из количества транзисторов, которые возможно на него уместить. Это лишний раз подтверждает, что гонка за гигагерцами и миллиардами транзисторов не имеет большого смысла с точки зрения конечных пользователей. Законы Мура породили некое спортивное состязание между производителями МП — зрелищное, но бесполезное.

Экономические формулировки

В качестве меры “продвинутости” МП с большим основанием, чем его технические характеристики, можно рассматривать его рыночную цену: чем полнее он уодвлетворяет нуждам потребителей, тем больше он может стоить. Рассмотрим формулировки 3.2 и 3.3, рассматривающие рыночные цены выпускаемых МП. Первый возникающий вопрос – как их сравнивать? Поскольку покупательная способность $1 сильно изменялась за прошедшие 40 лет, цены старых чипов надо как-то индексировать – и от того, как выбрать механизм индексации, во многом будет зависеть полученный результат: разные источники приводят как интервал падения вдвое индексированной цены MIPS-а величины от 24 до 53 мес. При этом хорошего соответствия экспоненциальной зависимости так и не наблюдается: очень широкие случайные колебания, связанные с непредсказуемостью рынка, позволяют заявить, что в изменении цен чипов нет вовсе никакой закономерности.

В одной из работ, анализирующей изменения рыночных цен на ПК на протяжении 1975–2000 г.г., приводятся даты продажи, цены и тактовые частоты ЦП реальных моделей ПК, что даёт основание говорить о доступных потребителям тактовых частотах (в отличие от тактовых частот только что вышедших новинок). Оказалось, что доступная пользователю ПК тактовая частота удваивается каждые 34 мес. (ошибка до 50%), число мегагерц за $1 (готовых к использованию, т.е. в составе готовых систем) – каждые 35 мес. (ошибка до 130%). Хотя при таких ошибках сложно говорить об экспоненциальной закономерности, и тактовая частота, как уже было сказано, – ненадёжный показатель производительности, это однако даёт представление о том, насколько сильно занижено число 18 мес. в формулировке 2.4.

Даже самую первую формулировку закона Мура тяжело признать верной: выгода от производства конкретной ИС определяется многими факторами, такими как затраты на разработку, на освоение технологии, на производство – с одной стороны и рыночным спросом, маркетинговой политикой – с другой стороны. Так что и “наиболее выгодное число транзисторов на кристалле” также определяется всеми этими факторами, а не только затратами на производство ИС, как утверждал Мур. Приведём несколько исторических примеров. Ещё работая в Fairchild, Джерри Сандерс решил продавать некий чип по $1.05 за штуку при себестоимости в $100; завоевав рынок, Fairchild уже могла производить эти чипы в столь больших количествах, что их себестоимость составляла менее $0.15 – дорогой в производстве чип оказался крайне выгодным как инструмент завоевания рынка. Высокоинтегрированные МП 80186/80188 не имели такого успеха, как 8086/8088 – хотя они позволяли создавать готовые ПК при меньших затратах – из-за того, что Intel сделала эти МП несовместимыми с IBM PC, лидирующей архитектурой ПК на то время: так выгодный в производстве чип оказался невостребованным на рынке. С другой стороны, МП семейства 65xx от MOS Technology стоили в 6 раз дешевле, чем их конкуренты от Intel и Motorola, и захватили рынок благодаря дешевизне своего производства. Ещё один пример такого рода принадлежит Intel: в чипе Pentium Pro они решили разместить ЦП и кэш-память на общем кристалле, и получившаяся схема была настолько большой, что в брак отправлялось больше 90% готовых чипов – так Pentium Pro провалился из-за дороговизны своего производства. Поэтому нельзя сказать, что важнее при выборе производимых чипов – рыночная конъюнктура или стоимость производства. Решения подобного рода – всегда компромисс, иногда болезненный: Intel в 1985 г. была вынуждена уйти с рынка ИС памяти, хотя у неё были ведущие разработки в этой области, когда они решили, что производство МП 386 будет выгоднее, и стоит все свои силы сконцентрировать на них – как мы сейчас видим, они не ошиблись.

Подобная же логика показывает несостоятельность и формулировки 1.3: ИС передовой технологии не будет производиться, если её производство будет слишком дорого; прототип нового МП не будет воплощён в кремнии, если существующие технологии этого не позволяют. Таким образом, ни один из четырёх выделенных факторов нельзя назвать доминирующим в образовании “наиболее выгодных” чипов, как это делает Мур.

По той же причине несостоятельны и “законы Мура” о цене чипов. Отвлечёмся от того, что между законами изменения рыночных цен и технологиями изготовления МП нет никакой связи: пусть каким-то чудом период падения цены вдвое совпал с периодом удвоения каких-нибудь характеристик чипов. Обсудим лучше, а цены чего мы сравниваем? Как можно сравнить цены функционально различных чипов и систем – 8080 с его коробкой ИС поддержки и MediaGX – “ПК на кристалле”? Получается, для справедливого сравнения – так же, как и в случае с подсчётом транзисторов – надо как-то определять цену составной части МП, что совершенно невозможно. И две одновременно существующие системы, обеспечивающие одинаковую производительность, могут отличаться по цене в разы в зависимости от целевых условий своего применения: как, например, сравнивать цены на настольные ПК и ноутбуки? Касательно формулировки 3.3, с чем именно сравнивать стоимость чипа через 18 мес. – с тем же самым экземпляром, с новым чипом той же модели, с чипом новой модели с такими же характеристиками? Опять, как и в предыдущих формулировках, мы получаем полную невозможность “проверки” закона Мура.

Таким образом, изобретательному человеку нетрудно “подтвердить” закон Мура искусной числовой эквилибристикой: все входящие величины определены с крайне низкой точностью: даже площадь кристалла можно мерять по-разному – учитывая или не учитывая зазоры по его краям, оставляемые для разрезания подложки. Но самое главное – то, какие именно точки рисовать на графике: на большинстве иллюстраций к закону Мура 5–6 точек, редко больше десятка. Именно поэтому на всех моих графиках 150–200 точек: когда точек много, очень хорошо видно, что они не ложатся ни на какую линию, а расплываются широким облаком.

Статистическая проверка

Мало того, что в ИС разных типов число транзисторов растёт по-разному – в ИС памяти быстрее всего, в радиотехнических ИС гораздо медленнее, – оно растёт по-разному в разное время даже внутри столь узкой категории ИС, как основная линейка МП фирмы Intel. Даже на сайте Intel, где “в точности экспоненциальный” рост числа транзисторов в этих МП преподносится как некоторое чудо предвидения Муром будущего технологии, рядом же приводятся опровергающие это цифры. Илкка Туоми в своей статье “Жизни и смерть закона Мура” (2002), на тезисах которой я во многом построил свою работу, приводит следующие цифры: для 11 представленных на графиках Intel МП 18-месячное удвоение числа транзисторов даёт ошибку до 3400%; 24-месячное (т.е. указанное самим Муром) – до 150%; экспонента, взвешенная МП 4004 и Pentium-III (период удвоения – 26 мес.) – до 70%, а именно, в Pentium-II было в три с небольшим раза меньше транзисторов, чем “полагалось” по экспоненциальному закону. Туоми, работающий одновременно в Хельсинки, Севилье и Беркли, написал несколько работ с разносторонней критикой “законов Мура”, но насколько я понял, он делал акцент именно на объяснении лежащих в их основе фактов и заблуждений, а не массивной статистической проверке.

При имеющемся у меня количестве чипов график превращается в облако точек, через которые невозможно провести одну линию и затем приближать эту линию экспонентой. Поэтому я приближал свои графики экспонентой “на глаз”: проводил по линейке прямую, по обе стороны которой точки были бы распределены одинаково плотно. Уже один этот метод даёт большую погрешность, но я решил, что точки со столь большим разбросом всё равно нельзя приблизить экспонентой с большей точностью.

Первый интересный график – изменение размера подложки: Мур в своих первых работах утверждал, что её размер будет непрерывно и неограниченно расти, потому что нет фундаментальных ограничений для достижимой чистоты кремния. На самом же деле, этот размер действительно быстро рос в 1960–1975 г.г. (от 0,5″ до 4″), затем практически вышел на прямую (8″ в 1985 г.), и вовсе прекратился с появлением в 1996 г. 12″-подложек, которые используются до сих пор. Это само по себе накладывает ограничения на рост размеров ИС, который по идеям Мура также не должен прекращаться (он обещал переход в XXI веке на 57″-подложки). А как мы увидим дальше, рост размеров ИС действительно уже прекратился.

Второй график – прогресс миниатюризации микроэлектронных компонентов: от 25мкм в 1961 г. до 0,09мкм (90нм) в 2004 г. с уменьшением элемента схемы вдвое каждые 50 мес. Хорошо видно, что до ∼1990 г. прогресс был медленнее: сейчас технология увеличила темпы своего развития, и в текущем году уже обещают выпускать МП по новой 25нм-технологии. Вместе с фундаментальным ограничением на уровне 22нм это ещё сильнее приближает момент, когда миниатюризация прекратится – так же, как прекратился в 1996 г. рост размера подложки. Не стоит однако полагать, что 90нм-технология доступна теперь всем производителям чипов: поскольку для её использования нужны колоссальные затраты на переоснащение фабрик, большинство фирм по-прежнему выпускают чипы старых технологий.

Интересная закономерность – рост числа выводов корпуса МП от 16 у 4004 до 940 у Athlon-64. Он влечёт необходимость в постоянном совершенствовании самого корпуса: от коробочки с рядами контактов по бокам к современным PGA-корпусам, утыканным снизу целым лесом ножек. Практически вся площадь корпуса современных МП уходит на выводы, и значит, с неизбежным увеличением их количества в будущем придётся либо увеличивать корпуса чипов, делая их громоздкими и неудобными в применении, либо изобретать новые виды корпусов. Интересно, что SEC-картриджи, которые Intel преподносила как решение проблемы упаковки чипов, так и ушли в небытие вместе с использовавшими их МП Pentium-II, Pentium-III и Athlon, по-видимому – из-за маркетинговых соображений.

График числа выводов неожиданно хорошо ложится на экспоненту с интервалом удвоения 74 мес., хотя в конце 1990-х наблюдается некоторый “провал”. Стоит, конечно, правильно понимать, что отклонение от этой экспоненты достигает в отдельных случаях полпорядка. Наоборот, график площади кристалла не позволяет выявить никакой закономерности: одновременно используются ИС отличающихся в десятки раз размеров, поскольку чем меньше ИС – тем выгоднее её производство (с этого и начался закон Мура). Самые большие кристаллы в истории МП применялись в семействе PA-RISC фирмы Hewlett-Packard в 1998–2000 г.г.; с тех пор рост размеров ИС практически прекратился. Даже огибающую графика тяжело назвать экспонентой: скорее, это сегмент экспоненты в 1970–1990 г.г. (период удвоения – 51 мес.) и прямая в 1990–2000 г.г.

Число транзисторов в МП я считал дважды, с учётом встроенной кэш-памяти и без неё. Получившиеся на графике “экспоненты” имеют период удвоения 24 и 27 мес. соответственно; очевидно, что нет ни малейших оснований считать периодом удвоения 18 мес., как это делается в многочисленных “ссылках” на закон Мура. Далеко внизу от облака точек мы видим МП семейства ARM, весьма успешные, несмотря на свою простоту; внутри облака мы имеем разброс на порядок-полтора – всё это подтверждает тезис об отсутствии на самом деле экспоненциальной закономерности для числа транзисторов в МП.

Ещё один график, хорошо ложащийся на экспоненту – плотность транзисторов в МП (период удвоения – 20 мес.) По периоду удвоения эта характеристика ближе остальных подходит к 18 мес. “законов Мура”, но как уже было сказано, плотность не имеет отношения к формулировкам Мура – он всегда анализировал общее число транзисторов на чипе. Здесь, как и с технологией изготовления, прогресс до ∼1995 г. был заметно медленнее: период удвоения составлял 35 мес. Впрочем, отклонения на один-два порядка есть и на этом графике.

Производительность, как оказалось видно на графике, также удваивается каждые 20 мес., и также до ∼2000 г. удваивалась медленнее (каждые 23 мес.) Но MIPS не зря расшифровывают как “meaningless instructions per second” – данная величина оценивает скорее амбиции производителей МП, чем его технические характеристики. Другая столь же информативная величина – тактовая частота – удваивается, судя по графику, каждые 25 мес. сейчас и каждые 36 мес. до ∼1995 г. В обоих случаях имеет место разброс на порядок-полтора.

Интересный вывод из последних графиков в том, что вопреки предсказаниям Мура о замедляющемся прогрессе технологии, скорость роста плотности транзисторов и производительности МП всё увеличивается. В этом смысле прогресс современной технологии превосходит ожидания Мура – он осуществляется даже не экспоненциальными темпами, а ещё быстрее.

В итоге всей проделанной работы, можно с уверенностью заявить о следующем:

• 18-месячное удвоение чего бы то ни было – разрекламированный миф, имеющий крайне мало отношения к работам Мура и не соответствующий никаким наблюдаемым фактам;
• ни один из “законов Мура” не выполняется с точностью, достаточной для того, чтобы считать его “незыблемой основой микроэлектроники”;
• ни один из “законов Мура” не имеет ни собственного обоснования, ни связи с другими “законами Мура”, и совершенно неясно, почему всю эту кучу утверждений называют общим названием.

Технология не может развиваться равномерно: развитие всегда сочетает эволюционное совершенствование и революционные инновации. Никакой “закон Мура”, который описывал бы всё развитие некой технологии одной экспонентой, не может иметь места.

cs.usu.edu.ru