Moore törvénye

A Moore törvényei vannak tapasztalati törvények , amelyek kapcsolódnak az evolúció a számítási teljesítmény a számítógépek és bonyolítja a hardvert .

Az első ilyen törvényt Gordon E. Moore mérnök adta ki 1965-ben, amikor a félvezetők bonyolultságának megduplázódásának folytatását feltételezte minden évben, állandó költségek mellett. Tíz évvel később Moore előrejelzését úgy igazította, hogy kétévente megduplázza a mikroprocesszoros chip tranzisztorainak számát. Ez a második posztulátum különösen helytállónak bizonyult, és népszerűsítette a "Moore-törvény" kifejezést, így ez végül kiterjedt a kapacitás megduplázására egy adott idő alatt.

Nyilatkozatok

Az első mikroprocesszort ( Intel 4004 ) 1971- ben találták ki . Ez egy 4 bites számítási egység volt  , 740 kHz- nél ütemezett  és 2300 tranzisztort integrált. A tranzisztorok integrációs képessége és a metszet finomságának növekedése javította a processzorok teljesítményét.

  1. A Moore-törvényt 1965- ben az Electronics  (in) folyóiratban fejezte ki Gordon E. Moore , a Fairchild Semiconductor mérnök , az Intel három alapítójának egyike . Megállapítva, hogy " a belépőszinten kínált félvezetők komplexitása " állandó költséggel évente megduplázódott 1959 óta , találmányuk dátuma óta , feltételezte ennek a növekedésnek a folytatását (1965-ben a leghatékonyabb áramkör 64  tranzisztort tartalmazott ). Ezt az exponenciális növekedést gyorsan "Moore törvényének", vagy későbbi kiigazítással "Moore első törvényének" nevezték el.
  2. A 1975 , Moore újra megvizsgáltuk a jóslat, azt feltételezve, hogy a szám a tranzisztorok a mikroprocesszorok (és nem egyszerű integrált áramkörök kevésbé összetett) egy szilícium chip kétévente megduplázódik. Bár ez nem fizikai törvény, hanem csak empirikus extrapoláció, ez az előrejelzés meglepően helyesnek bizonyult. 1971 és 2001 között a tranzisztorok sűrűsége 1,96 évente megduplázódott. Ennek eredményeként az elektronikus gépek egyre kisebbek és olcsóbbak lettek, miközben egyre gyorsabbak és erősebbek is voltak.
  3. Moore tényleges megszólalásainak gyakori, változó és független változata: „valami” tizennyolc havonta megduplázódik, ez a tény: „teljesítmény”, „kapacitás”, „sebesség”, „óra” frekvencia és sok más variáció, de nagyon ritkán a tranzisztorok sűrűsége egy chipen. Ezeket a „Moore-törvényeket” terjesztik a leggyakrabban, mert az általános nyilvános kiadványokban és számos internetes oldalon virágzik. Egyetlen közös pontjuk tehát ez a tizennyolc hónapos szám, amelyet Moore egyik állításában sem találunk. Ez a szám David House, az Intel vezetőjének jóslatából származik, aki ötvözte a tranzisztorok sokszorozását és sebességük növekedését.

Moore törvénye és az óra frekvenciája

Moore törvényének hibás értelmezését az órajel frekvenciájáról többé-kevésbé igazolták 1973 óta , és elméletileg 2015- ig kellett volna folytatódnia, mire a parazita zaj ( kvantumhatások , alfa-bomlások ) hatásaival szembesültünk . 2004 óta a processzorok frekvenciája stagnálni szokott a hőelvezetési nehézségek miatt, amelyek megakadályozzák a frekvencia növekedését az alkatrészek kisebb mérete ellenére. 2016-ban a processzor frekvenciái megközelítették az 5 GHz-es küszöböt  . 500 GHz-es rekordot döntött meg az  IBM (a Georgia Tech- szel együttműködve ) egy szilícium-germánium alapú lapkával ellátott tranzisztorral, amelyet alkalmanként folyékony héliummal -269 ° C- ra hűtöttek  . Ez a tranzisztor továbbra is szobahőmérsékleten 350 GHz- en működik  . 2018-ban, az Intel megtörte a 7,5 GHz-es jelig Core i9-9900K processzor által használatának optimalizálása folyékony nitrogén a hűtőrendszer .

Moore második törvényét azonban mindig tiszteletben tartják, a processzorok integrációs képessége miatt, amely még mindig fejlődik, ami lehetővé teszi a frekvencia stagnálásának megkerülését a tranzisztorok számának megduplázásával, a frekvencia megmaradására. rész változatlan (Dual PowerPC 2002-ben , Dual IA 2004-ben , Intel Core Duo 2006-ban ).

Ezenkívül kísérletezünk a teljesen aszinkron módban működő Chipekkel is . Az aszinkron áramkörök ötlete nem új keletű, mivel 1951-ben tesztelték az IAS-szal és 1952-ben az ORDVAC-szal. Láthatjuk, hogy az órajel egyszerű továbbítása az összes alkatrészre felemésztheti a 2000. évi mikroprocesszorok térének és elektromos teljesítményének felét.

Párhuzamosság és Moore-törvény

A párhuzamos feldolgozás használata a 2000-es években szükségessé vált, hogy Moore törvénye érvényben maradjon. Éveken keresztül a processzoralapítók képesek voltak az órajel növelésével és az utasításkészlet párhuzamosságának fejlesztésével biztosítani, hogy az egyszálas alkalmazások sokkal gyorsabban fussanak egyszálú gépen. Új generációs processzorok minden módosítás nélkül. Az elosztott energia jobb kezelése érdekében (közvetlenül az órajel frekvenciájához kapcsolódva) az alapítók a többmagos architektúrákat támogatják. Ennek rendkívül nagy hatása van a szoftverre, amelyet meg kell írni és speciálisan kell adaptálni a hardver előnyeinek kihasználására.

Egyéb tényezők

Pénzügyi szempontok

Egy másik tényező lelassíthatja a processzor teljesítményének előrehaladását, amelynek ezúttal nem fizikai, hanem pénzügyi . A gyártósorok költségei szintén exponenciálisan nőnek, olyan mértékben, hogy még az olyan versenytárs óriásoknak is, mint az IBM és a Siemens , össze kellett fektetniük befektetéseiket, hogy képesek legyenek lépést tartani.

Az új generációs gépek jövedelmezősége a legkevésbé is bizonytalan jövőtől függ (például a PC-felhasználók sokaként már nem a számítógép sebességét , hanem annak zajszintjét kezdik elsődleges szempontként választani ). lehet, hogy ilyen körülmények között gazdasági döntés, és nem fizikai szint, amely véget vet Moore törvényének.

Valódi sebesség és szubjektív sebesség

A fejlesztők rendelkezésére bocsátott egyre erősebb gépek torz hatásokkal járnak. Az 1980-as és 1990-es évek "lassú" processzorainak napjaiban a fejlesztők sok időt fordítottak a programok optimalizálására, és minden egyes menthető kódsor mentette az óraciklusokat, ezért gyorsan növekedett. A jelenlegi számítógépek kényelmesen működnek, ami csökkenti a fejlesztők éberségét. Ezenkívül a gazdasági kényszerek arra kényszerítenek minket, hogy mindig sietve termeljünk, és a kód optimalizálására korábban fordított időt feláldoztuk. Tehát ma paradoxonnal állunk szemben: a számítógépek egyre gyorsabbak, de a szoftverek egyre nehezebbek és lassabbak (lásd Wirth törvényét ).

Végül, a felhasználó nem érzi a sebesség valódi növekedését, különösen az olyan alapvető feladatok esetében, mint a szövegszerkesztés . Sok felhasználó még a "rusztikusabb" számítógépeket is sajnálja amely nélkülözve minden olyan eszközt, amellyel a rendszereket ma betöltik, hatékonyabbnak bizonyulhat a termelékenység szempontjából .

Egy másik tényező kétségtelenül jobban megmagyarázza a haladás érzésének hiányát: a számítógépek többi alkatrésze nem feltétlenül fejlődött olyan gyorsan. A mechanikus merevlemez-meghajtókkal ellátott modern számítógépeknél ezek korlátozzák a felhasználói élményt. A számítógép olyan rendszer, mint egy lánc: a leglassabb komponens dönti el az egész sebességét. A RAM hozzáadása vagy egy SSD- tároló telepítése egy elavult vagy alacsony kategóriájú rendszerbe lehetővé teszi a reaktivitás növekedését (a gép elindítása, programok indítása, leállítás), amelyet a felhasználó gyakran jobban értékel, mint a megnövekedett processzorsebességet.

Gazdasági kényszer

Moore törvénye gazdasági szempontból érdekelt lehet a kereslet desztillált ellátási elosztással történő ellenőrzésében is. Valójában a miniatürizálás elvileg halad az alkalmi felfedezéseknek és optimalizálásoknak köszönhetően, amely valóság alig felel meg az exponenciális evolúció szabályszerűségének, amelyet Moore törvénye határoz meg. Az új technológiai alkalmazások diffúziójának időbeli szabályozásával lehetséges, hogy maguk a félvezető óriások is meghatározzák a fogyasztás stabil modelljét , és ezáltal biztosítják az innovációs erőfeszítések és az ügyfelek megújulási vágyai közötti megfelelést. Az önkorlátozó ellátás tehát arra kötelezné a fogyasztókat, hogy rendszeresen frissítsék berendezéseiket. A hatékonyság érdekében azonban a kínálat ilyen önkorlátozásának a piac erős kartellizációjára kell támaszkodnia.

Ebben az esetben a kapitalizmus történetében meglehetősen gyakori , a piaci törvények kedveznének az innováció visszafogásának, hogy az érintett ágazat egészének bérleti díját biztosítsák

A fal (francia: Le Mur )

Moore törvénye a XXI .  Század elejéig meglepően pontosnak bizonyult .

A 1999 , az úgynevezett „végső” CMOS tranzisztor kidolgozott CEA-Leti in Grenoble tolta az elvet a MOSFET tranzisztor, hogy annak „határait” egy részén 18  nanométer (a mérete körülbelül 70  atomok egymás mellé helyezett), azaz hétszer kisebb, mint a legkisebb 2002-es ipari tranzisztor (123  nm 2002-ben, 83  nm 2003-ban, 65  nm 2005-ben, 45  nm 2008-ban, 32  nm 2010-ben, 22 nm 2012-ben, 14  nm 2016-ban, 7  nm 2000-  ben 2019). Hétmilliárd csomópont elméleti integrációját tette lehetővé egy euró érmén. De ez csak egy egyszerű kutatási kísérlet volt annak tanulmányozására, hogy a CMOS- technikák hogyan működnek a molekula méretének megközelítésekor.

Az egyre több tranzisztort tartalmazó chipek gyártását lehetővé tevő technika költségei szédítő arányban nőnek. Tovább ökölszabály származó Szilícium-völgy , Rock törvény kimondja, hogy a gyártási költség a chip öntödei megduplázódik négyévente, mert az előállítási eljárás során negyven éve fotolitográfiában , megközelítések mindig több fizikai korlátokat. Így 2004-ben, az Intel bejelentette a beruházás több mint kétmilliárd dollárt üzemében Fab12 az Arizona gyártására zsetont ostya 300  mm átmérőjű, amely felváltotta a ostya 200  mm végén 2005 .

Az egyre kisebb tranzisztorok gyártásához egyre rövidebb hullámhosszú sugárzást alkalmaznak, és a miniatürizálásért folytatott verseny fotolitográfiához vezet az egyre durvább röntgenspektrumban (UV-sugárzás, majd röntgen stb.). De ebben a hullámhossz-tartományban nehéz, sőt lehetetlen lesz a sugarak hatékony koncentrálása. A 1990-es évek közepén úgy ítélték meg , hogy ilyen eljárással nem lehet ipari úton előállítani keresztmetszetben kevesebb, mint 400 atom (100  nm ) alatti tranzisztort  . A szilíciumiparban ezt a határt „ Falnak  ” nevezik  .

2021-ben Moore törvénye közeledik a határához. Addig a mikroprocesszoros tranzisztorok száma előrehaladt, mert a metszet finomságának növekedésének köszönhetően egyre kisebbek, de egy bizonyos érték alá nem tud esni. Az ugyanazon a felületen lévő tranzisztorok számának további növelése érdekében a 3D chipek függőleges felépítését tervezik. A tranzisztorok nem lesznek kisebbek, de számuk növekszik, mintha méretüket csökkentették volna.

Az igények fokozatos megváltoztatása, a fenntartható fejlődés

Új igények

Egyes kommentátorok megkérdőjelezik Moore törvényének a fenntarthatósággal kapcsolatos jelentőségét  :

Az új igényeket ( „zöld” számítástechnika , a netbookokkal és táblagépekkel ellátott számítógépek méretének csökkenése stb.) Kevésbé fejezzük ki milliméternyi tranzisztor / mm²-ben kifejezve, mint az energiafogyasztás / teljesítmény.

Ezenkívül érdekes az interaktív feladat feldolgozásának 20 másodpercről 2 másodpercre, majd 200  ms -ra történő csökkentése. Ezután 20 ms-ra történő leejtése  nem feltétlenül ad hozzá semmit, és természetesen semmit sem, ha ezt a feladatot elkülönítik. Míg az ipari szükségletek egyre nagyobb erőt igényelnek, ugyanez nem vonatkozik a végtelenségig az egyének szükségleteire.

Látjuk az üzleti szereplők igényeinek megjelenését , akik követelik, hogy tevékenységük környezeti és társadalmi hatásait vegyék figyelembe a fenntartható fejlődés szempontjából .

Az új információs technológiákról szóló francia szenátusi tájékoztató jelentés Moore törvényét említi az elmúlt évtizedek fő technikai gyorsításaként. Ez a jelentés hangsúlyozza annak szükségességét, hogy meghatározzon egy értékrendet az új információs társadalomban, amely elkerüli a szcientizmust .

Ebben az összefüggésben értékelnünk kell a teljesítmény wattonként .

Kezdeményezések

A Green500 List rangsorolja a TOP500 lista szuperszámítógépek szempontjából az energiahatékonyság . Ezt FLOPS / wattban mérjük .

A Bull informatikai gyártó felhagyott Moore törvényével a célkitűzéseiben, és most megtartja zöld / zöld IT terveiben a teljesítmény / energia arányt .

Néhány gyártó, mint például az ARM, olyan processzorokat mutat be, amelyek már nem követik Moore törvényét. A 2009-es processzorok néha 100.000 tranzisztorok, ami kevesebb, mint egy Intel 286 12  MHz processzor re 1982 , de csak fogyasztanak egy negyed wattos , felszerelése 2009-ben egy tucat modell netbookok futó Linux vagy mások. Operációs rendszerek .

Az alkotás 2007 a klímavédelmi Computing Initiative , amely célul tűzte ki a felére csökkenjen az energiafogyasztás számítógépek, valószínűleg aláírta a halálos ítéletét a Moore-törvény.

Paradigmaváltást

Amikor Moore törvénye eléri a határait, a paradigmaváltás az áttérés a mikroelektronikáról a nanotechnológiára , vagyis radikálisan különböző technikák összessége, amelyek kiegészítik vagy versengenek egymással, például a nanocsövek molekuláris tranzisztorokban, DNS-számítógépekben , kvantumszámítás ... Általában a " nano-számítógépek  " kifejezés alá csoportosított technológiák,  amelyek elsősorban a mindenütt jelen lévő rendszereket és az átfogó számítástechnikát vezetik be.

Az Intel Developer Forum in2007. szeptember, Gordon Moore azt jósolta, hogy az a törvény, amely szerint egy chipben megduplázzák a tranzisztorok számát kétévente, tíz-tizenöt év múlva nem lesz érvényes. Valójában az ipar egyre inkább megközelíti a mikroelektronika fizikai határait, ahol a tranzisztorok csak néhány atomból állnak, és elszigetelik őket egymástól. Ezután az iparnak teljesen új módszereket kell keresnie, például a tranzisztorok egymásra rakását három dimenzióban.

Ban ben 2016. február, Moore törvényének végét a félvezetőkre vonatkozó nemzetközi technológiai ütemterv (ITRS) jelentette be, amely hivatalosan jóváhagyja ennek a törvénynek az elhagyását, az ütem egyszerűen már nem fenntartható. Ebből az alkalomból az ITRS megváltoztatja nevét és stratégiáját, ma már az úgynevezett Nemzetközi ütemterv az eszközök és rendszerek számára . Új ütemtervének neve Több, mint Moore , hivatkozva a More Moore- stratégia elhagyására, amely lehetővé tette az ipari beruházások olyan szinten történő rögzítését, amely lehetővé tette Moore-törvény érvényben maradását.

Memória chipek: néhány referenciaérték

( Gordon Bell jelezte a " Computing törvények  " című előadásában  )

Moore törvénye szerint:

Összehasonlítható haladások más területeken

Habár Moore törvénye nagyon látványos, nem szabad, hogy elhomályosítson más előrelépéseket, amelyek néha fölötte vannak:

Megjegyzések és hivatkozások

  1. (in) Gordon E. Moore , "  tömés több alkatrészeket a integrált áramkörök  " , Electronics , vol.  38,1965. április 19( olvasható online [PDF] )Cikk, amelyben a törvényt először kimondták.
  2. (in) Gordon E. Moore, "  Progress in Digital Integrated Electronics  " , IEEE szöveg Speech ,1975( online olvasás )
  3. (in) Michael Kanellos, "  Moore-törvény, hogy roll a vélemény egy évtizedig  " a CNET ,2003. február 11(hozzáférés  : 2019. szeptember 25. ) :„  Moore azt is megerősítette, hogy soha nem mondta, hogy a tranzisztorok száma 18 havonta megduplázódik, amint azt általában mondják. Kezdetben azt mondta, hogy egy chipen lévő tranzisztorok évente megduplázódnak. Ezt követően 1975-ben kétévente újrakalibrálta. David House, az Intel akkori vezetője megjegyezte, hogy a változások miatt a számítógép teljesítménye 18 havonta megduplázódik.  "
  4. Jean-François Soutenain és Nicolas Delzenne , Vezetési információs rendszerek: kézi + alkalmazások + javítva , Párizs, Sup'Foucher, koll.  "DCG, 8; LMD számviteli szakértelem ”,2017, 383  p. ( ISBN  978-2-216-14652-9 , online olvasás ) , "1. fejezet - A mikroszámítógép hardveres és szoftveres vonatkozásai"
  5. (in) R. Krithivasan , Lu Yuan , JD Cressler , Rieh Jae-Sung , MH Khater , D. Ahlgren és G. Freeman : "  A SiGe hbts fél terahertzes működése  " , Electron Device Letters, IEEE , vol.  27, n o  7,2006, P.  567-569 ( ISSN  0741-3106 , DOI  10.1109 / LED.2006.876298 , online olvasás ).
  6. + Jérôme Gianoli , "  A Core i9-9900K gyűjt több mint 7,6 GHz, új rekordot  " , a GinjFo ,2018. október 23(megtekintve : 2019. február 16. )
  7. Pascal Vivet , A késésekre szinte érzéketlen integrált áramkörök tervezésének módszertana: Alkalmazás aszinkron 16 bites RISC processzor tanulmányozására és megvalósítására , 2001. június 21( olvasható online [PDF] ) , p.  16.A 2001-ben bemutatott tézis doktori fokozat megszerzésére a Grenoble-i Műszaki Intézetben .
  8. (in) Lásd: Herb Sutter, A szabad ebéd véget ért: alapvető fordulat a szoftverek párhuzamossága felé , Dr. Dobb's Journal, 30. (3), 2005. március.
  9. Romain Fallet, "  A szoftver elcsábítása  "
  10. A szabadalmi háború , Arte dokumentumfilm.
  11. FRANCOIS FRANCIS BUS , IDŐ , HOGY A KÖRNYEZETEK TÖRVÉNYÜKET ALKALMAZIK: A Texas Instruments félvezetőinek története. , KÖNYVEK igény szerint,2020( ISBN  2-322-25685-4 és 978-2-322-25685-3 , OCLC  1225066813 , online olvasható )
  12. Fenntartható fejlődés az informatikában , a viabloga.com webhelyen, 2017. december 2.
  13. Szenátus tájékoztató jelentése az új információs technológiákról .
  14. (in) TOP Greeen500 List - november 2008 .
  15. „Zöld IT: Fókuszban az energiaintelligencia [PDF]  ” , bull.com .
  16. (in) ARM: Eretnek az Intel templomában, Moore törvénye  " , a Computerworld-en (hozzáférés: 2010. február 22. ) .
  17. (in) Beszéd FINAL 2006. március 6.  " [PDF] az ARM-en .
  18. (in) Az IBM szétzúzza Moore törvényét, 12 atomra csökkenti a bit méretét a digg.com oldalon, 2012. január 12.
  19. Gordon Moore jósolja elavulása a törvény 10- , hogy 15-  év , a helyszínen pcinpact.com szeptember 20 2007 megkérdezett 18 augusztus 2017.
  20. „Moore törvénye érvényét vesztette, 10- , hogy 15-  év  ?” » , A clubic.com webhelyén , 2007. szeptember 19-én, konzultáltunk 2017. augusztus 18-án.
  21. (in) "  A chipek le Moore törvénye  " , Mitchell Waldrop, Nature .com , február 9, 2016.
  22. "Moore törvényét hivatalosan eltemették", Virgile Juhan, Le journal du net .com , 2018. május 23.
  23. "Feldolgozók: Moore törvényének vége." Mi a következő? » , ZDNet .fr , 2016. február 15.
  24. (hu-HU) „  Mintegy - IEEE International ütemterve készülékek és rendszerek  ” , a irds.ieee.org (elérhető 17 február 2019 )
  25. Blamont, Jacques (1926 -....). , Hálózatok! : a kollektív intelligencia kihívása , Párizs, CNRS éditions , 270  p. ( ISBN  978-2-271-12235-3 és 227112235X , OCLC  1076859120 , online olvasás )
  26. [1]

Bibliográfia

Lásd is

Kapcsolódó cikkek

Külső linkek