Закон мура эндшпиль и удивительные продолжения

Закон Мура: драйвер технологического прогресса

Введение

В постоянно развивающемся мире технологий есть движущая сила, которая двигала нас вперед на протяжении десятилетий: узнайте что такое Закон Мура, чтобы понять природу технологических чудес.

Этот загадочный принцип, названный в честь соучредителя компании Intel Гордона Мура, определил ход технологического прогресса и революционизировал образ жизни, работы и развлечений.

Что такое закон Мура и почему он так важен?

В этой статье мы погрузимся в глубины этой захватывающей концепции, демистифицируя ее происхождение, последствия и будущие возможности. От его скромных начал в 1960-х годах до глубокого влияния на полупроводниковую промышленность, мы исследуем, как закон Мура сделал возможным экспоненциальный рост вычислительных мощностей и миниатюризацию электронных устройств.

Присоединяйтесь к нам в этом увлекательном путешествии, чтобы разгадать тайны закона Мура и глубже понять движущую силу технологических чудес, которые нас окружают.

Что такое закон Мура и понимание его происхождение

Происхождение закона Мура

Закон Мура, изобретенный Гордоном Муром в 1965 году, является фундаментальным принципом, который описывает экспоненциальный рост вычислительной мощности со временем.

По сути, закон Мура утверждает, что количество транзисторов на микрочипе удваивается примерно каждые два года.

Это наблюдение было сделано Муром во время наблюдений за полупроводниковой промышленностью, где он заметил тенденцию к увеличению плотности размещения транзисторов на интегральных схемах. Это озарение позволило Муру предсказать, что эта тенденция сохранится в обозримом будущем, стимулируя развитие компьютерных технологий.

Эволюция технологий

Истоки закона Мура можно проследить с первых дней развития полупроводниковой промышленности. В 1960-х годах интегральные схемы все еще находились в зачаточном состоянии, а количество транзисторов на кристалле было относительно небольшим. Однако с совершенствованием технологий производства и уменьшением размеров транзисторов количество транзисторов, которые можно было разместить на микросхеме, росло в геометрической прогрессии.

Такой экспоненциальный рост плотности транзисторов стал основой закона Мура, подготовив почву для последовавшего за ним стремительного технологического прогресса.

Значение закона Мура

Значение закона Мура в технологии невозможно переоценить. Он стал руководящим принципом для всей отрасли, стимулируя инновации и определяя развитие новых технологий. Экспоненциальный рост вычислительных мощностей, ставший возможным благодаря закону Мура, позволил создать более мощные компьютеры, меньшие и более быстрые электронные устройства, и появились совершенно новые отрасли промышленности. Без закона Мура технологический ландшафт, каким мы его знаем, выглядел бы совсем иначе.

Значение закона Мура в медицинской сфере

Важная роль экспоненциального роста вычислительной мощности в здравоохранении заключается в улучшении точности диагностики и эффективности лечения. Современные медицинские технологии, поддерживаемые законом Мура, позволяют:

• На основе генетического анализа предсказывать возможные заболевания и разрабатывать персонализированные методы лечения.
• Автоматизировать процессы медицинской диагностики с помощью машинного обучения и искусственного интеллекта.
• Создавать технологии виртуальной и дополненной реальности для обучения медицинских специалистов и улучшения процедурного опыта.

Таким образом, закон Мура играет ключевую роль в развитии медицинской индустрии, способствуя улучшению качества жизни и продления человеческого здоровья.

Закон Мура и его влияние на транспортную отрасль

Закон Мура, который предсказывает удвоение числа транзисторов на чипе каждые два года, оказал значительное влияние на транспортную отрасль. Миниатюризация электронных компонентов привела к разработке более мощных датчиков и систем управления, что способствовало появлению автономных транспортных средств. Эти автономные транспортные средства используют передовые вычислительные мощности для обработки данных с датчиков в реальном времени, принимая решения за доли секунды и успешно ориентируясь в сложной среде.

Закон Мура ускорил развитие самоуправляемых автомобилей, революционизировав транспортную отрасль и открыв путь в будущее, где люди-водители становятся излишними.

Вызовы и ограничения закона Мура

Хотя закон Мура способствует технологическому прогрессу, он также сталкивается с вызовами и ограничениями. С уменьшением размеров транзисторов появляются технические препятствия, такие как ограничения в токе утечки и теплопроизводстве. Необходимость инновационных решений и альтернативных материалов для поддержания экспоненциального роста, предсказанного законом Мура, становится все более актуальной.

Рост стоимости исследований и разработок в полупроводниковой отрасли также является вызовом для закона Мура. Сложность процессов производства полупроводников увеличивает затраты на новые технологии. Это затрудняет конкуренцию и инновации для небольших компаний, так как инвестиции для оставания на передовом уровне становятся все более высокими.

Увеличение электронных отходов также становится проблемой, так как постоянный спрос на более мощные устройства приводит к более быстрой утилизации устаревших устройств. Это требует развития устойчивых практик и альтернативных материалов для смягчения негативного влияния закона Мура на окружающую среду.

Будущее закона Мура

Несмотря на вызовы и ограничения, закон Мура продолжает определять будущее технологий. Помимо традиционного масштабирования транзисторов, исследователи и инженеры изучают альтернативные методы для поддержания роста вычислительных мощностей. Развитие новых материалов, таких как графен и углеродные нанотрубки, а также новых вычислительных парадигм, таких как квантовые вычисления, направлены на обеспечение будущего успеха согласно закону Мура.

Картинка: Закон Мура: 122 года роста

Роль квантовых вычислений в будущем технологий

Квантовые вычисления представляют собой мощный инструмент, способный решать сложные задачи намного быстрее, чем классические компьютеры. Принципы квантовой механики позволяют квантовым компьютерам оперировать с кубитами, которые обладают свойствами суперпозиции и квантового параллелизма.

Перспективы развития квантовых технологий

Хотя квантовые вычисления находятся на ранних стадиях развития, они обещают революционизировать отрасль вычислительной техники. Благодаря своей уникальной природе, квантовые компьютеры смогут эффективно решать задачи, которые остаются недоступными для классических устройств.

Альтернативные модели технологического развития

В дополнение к закону Мура, существуют альтернативные модели, описывающие различные аспекты технологического прогресса. Закон Крайдера и закон Меткалфа представляют интересные подходы к пониманию динамики развития индустрии.

Закон Крайдера

Закон Крайдера предполагает экспоненциальный рост емкости магнитных накопителей, что открывает новые возможности для хранения данных и увеличения производительности устройств.

Закон Меткалфа

Закон Меткалфа описывает рост стоимости сети пропорционально количеству узлов, что иллюстрирует важность развития коммуникационных технологий.

Примеры технологического прогресса

Применение закона Мура способствовало созданию ряда инноваций, таких как микропроцессоры, персональные компьютеры и мобильные устройства. Эти технологии изменили мир и повлияли на все сферы нашей жизни.

В целом, квантовые вычисления и альтернативные модели развития технологий представляют собой увлекательные области исследований, которые могут определить будущее науки и индустрии. Совместное использование этих концепций позволит создать новые решения и возможности для различных секторов экономики.

Другим примером является миниатюризация электронных устройств. Поскольку количество транзисторов на микросхеме росло в геометрической прогрессии, электронные устройства становились меньше, более портативными и более мощными. Эта миниатюризация сделала возможной разработку смартфонов, планшетов и носимых устройств, которые революционизировали способ нашего взаимодействия с технологиями. От мобильной связи до фитнес-трекеров – эти устройства стали неотъемлемой частью нашего взаимосвязанного мира.

Длительное влияние закона Мура на инновации

Итак, закон Мура был движущей силой технологического прогресса на протяжении десятилетий. Экспоненциальный рост вычислительных мощностей сделал возможным разработку мощных компьютеров, меньших и более быстрых электронных устройств, а также появление новых отраслей. От здравоохранения до транспорта, закон Мура произвел революцию в различных областях, улучшив качество жизни людей по всему миру.

Хотя закон Мура сталкивается с проблемами и ограничениями, исследователи и инженеры изучают альтернативные методы для поддержания экспоненциального роста вычислительных мощностей. Квантовые вычисления и альтернативные модели, такие как закон Крайдера и закон Меткалфа, предлагают новые возможности для технологического прогресса.

Двигаясь вперед, важно применять устойчивые практики и учитывать влияние закона Мура на окружающую среду. Разрабатывая инновационные решения и исследуя альтернативные материалы и производственные процессы, мы можем гарантировать, что преимущества закона Мура будут продолжать стимулировать инновации, минимизируя его недостатки.

Закон Мура сформировал мир, в котором мы живем сегодня, и продолжит формировать будущее. Он является свидетельством человеческой изобретательности и силы научных открытий. Разгадывая тайны закона Мура, мы получаем более глубокое понимание движущей силы технологических чудес, которые нас окружают. Давайте продолжим этот путь инноваций и продолжим расширять границы возможного.

Гордон Мур, скончавшийся 23 марта сего года в возрасте 94 лет, был человеком выдающимся. Он входил в число основателей компании «Intel», а до этого сформулировал закон, который оставался верным в течение довольно долгого времени.

В 1965 году Гордон Мур сообщил, что транзисторы, являющиеся компонентами микрочипов, заметно уменьшились за шесть лет, то есть с 1959-го и предсказал, что каждые 18 месяцев количество этих устройств на той же самой основе будет удваиваться. В 1975-ом Мур подкорректировал свою оценку, увеличив её до двух лет. Это все еще экспоненциальный рост, пусть и немного менее стремительный.

Сегодня эксперты сходятся во мнении, что Мур оказался совершенно прав, хотя некоторые из них все же называют его закон самоисполняющимся пророчеством. Молодая полупроводниковая промышленность миниатюризировала транзисторы с предсказанной скоростью, и компьютеры становились все лучше, мощнее и производительнее.

Первый планарный транзистор, созданный в 1959 году, был единичным. В чипе iPhone 14 Pro количество транзисторов достигло 16 миллиардов. Наращивание этого показателя растянулось на десятилетия, и при желании можно указать несколько ярких промежуточных точек, отмечающих этот путь.

Компьютер американских «Аполлонов» обладал производительностью примерно в 15000 флопс (операций с плавающей запятой в секунду), что вчетверо меньше, чем у игровой приставки NES, которая была популярна в середине восьмидесятых. Игровая приставка Xbox (около 20 миллиардов флопс) была в десять с лишним раз мощнее iPhone 4. По сравнению с этим прогрессом развитие любой другой отрасли человеческой деятельности выглядело как неспешный черепаший шаг.

Однако в наши дни закон Мура перестал действовать. Почему это произошло?

МОП-транзисторы, производящиеся сегодня в неисчислимых объемах, не могут стать меньше. Потому что на их пути стали неумолимые законы физики. Многие из нас знают, что компьютеры работают в двоичном коде, обрабатывая нули и единицы. Делается это посредством транзисторов. Если они пропускают электрический ток, это 1, если нет, то 0. Чем больше этих элементов на чипе, тем более сложную информацию может обрабатывать компьютер и тем быстрее он это делает.

Обычно транзистор состоит из атомов кремния, «держащихся» друг за друга с помощью валентных электронов. Также в нем находятся кристаллы кремния, содержащие фосфор, со свободно перемещающимся пятым электроном, и немного бора, который из-за недостатка валентных частиц создает «дыры», заполняющиеся другими электронами.

Это увлекательная механика, о которой можно рассказывать очень долго, но нам важно, что в определенном месте транзистора образуется «обедненный слой».

Это отрицательно заряженная область, отталкивающая свободные электроны. Она препятствует протеканию тока, и компьютер «рассматривает» такое состояние как «0». Чтобы получить «1», названный слой нейтрализуется посредством подачи небольшого положительного заряда.

И все бы ничего, но современные транзисторы ужались до ширины 2 нанометра. Это всего лишь 10 атомов кремния. Дальше уже некуда, так как электроны вследствие туннельного эффекта смогут преодолевать обедненный слой и случайным образом менять нули на единицы. Дело в том, что в этом масштабе у частиц начинает проявляться квантовая неопределенность относительно того, где они находятся и как движутся.

Можно попытаться объяснить это на примере автомобильного движения. Допустим, глядя на карту города видно, что путь до нужной точки займет 25 минут. Но вы-то понимаете, что в городе могут быть пробки. Или, наоборот, он может оказаться необычно пустым. Этот самый маршрут вы преодолевали многократно, и диапазон затрат времени колебался от 15 минут до двух часов. Упрощенно, квантовый уровень отличается именно такой неопределенностью.

Когда электрон приближается к обедненному слою и бьется о барьер, он должен «отскакивать» от него. Но если преграда слишком тонка, то существует ненулевая вероятность того, что он окажется по другую сторону. Это очень примитивное описание туннельного эффекта, но мы, дабы избежать погружения в дебри квантовой физики, им и ограничимся.

В общем и целом, перед нами действительно некий физический предел, за которым существенно повышается вероятность ошибок, что в компьютерной промышленности недопустимо.

24 марта в возрасте 94 лет умер легендарный отец-основатель Intel Гордон Мур – настоящий прогрессор, один из главных людей, благодаря которым появились персональные компьютеры, смартфоны и прочие умные вещи, автор «закона Мура». В 1965 году он опубликовал статью, в которой сформулировал простое правило: «Прогресс в микроэлектронике со временем позволит помещать всё больше элементов в тело одной микросхемы». После нескольких уточнений это правило, получившее название «закон Мура», стало читаться так: «Плотность транзисторов в микросхеме будет удваиваться каждые два года».

Первый микропроцессор был выпущен в 1971 году — он назывался Intel 4004. С тех пор индустрия микропроцессоров развивается в соответствии с прогнозом Мура, в результате мощность процессоров удваивается примерно каждые два года. Первые полупроводниковые транзисторы были размером с ластик на конце карандаша, а сегодня их и глазом не разглядеть — на точке в конце этого предложения можно разместить миллионы транзисторов.

Закон Мура уже больше полувека задаёт темп развитию микроэлектроники, — благодаря тому, что он соблюдается так долго, на наших глазах происходит цифровая революция – великое переустройство жизни и общества под влиянием технологий, сравнимое лишь с аграрной и индустриальной революциями, двумя главными событиями в истории человечества. Только цифровая революция идет намного быстрее двух предыдущих.

Закон Мура, словно дирижер, синхронизирует разные стороны технологической эволюции — в соответствии с ним все эти полвека компьютеры с фантастической скоростью уменьшались и дешевели, так что теперь они окружают нас повсюду, проникают в вещи, делая их умными, становясь все более важной и незаметной частью нашей искусственной окружающей среды.

С того момента, как был провозглашён этот замечательный закон, число транзисторов и производительность компьютеров выросли в миллионы раз, а цена транзистора упала в миллион раз. Удешевление микропроцессоров влечёт за собой такой же стремительный прогресс в тех областях, где они широко используются. Взять, например, прочтение генома — его стоимость падала примерно в соответствии с законом Мура, который стал символом взрывного роста отраслей, находящихся на острие технического прогресса.

Самое удивительное, что закон Мура не подкреплён никакой теорией, это просто эмпирическое наблюдение, — мы живём в эпоху, когда практика опережает теорию. Сам Гордон Мур вовсе не думал, что его закон будет работать так долго. Когда взрывной прогресс замедлится, и сейчас никто не знает, хотя хоронят закон Мура каждый год, — но на следующий год приходится хоронить снова.

Спасибо Гордону Муру и мирозданию за столь чудесный для нас закон! Очень хочется и следующие полвека прожить с работающим законом Мура.

Внедрение инноваций 11 окт 2023, 18:20

Что это и когда перестанет работать

Читать в полной версии

Кажется, что технологии развиваются по совершенно непредсказуемой траектории. Однако есть критерии, наблюдение за которыми помогает ее прогнозировать. Рассказываем о законе Мура и его современном состоянии

Закон Мура — это наблюдение, сделанное американским инженером и соучредителем Intel Гордоном Муром. В 1965 году он предсказал, что количество транзисторов (это полупроводниковое устройство, которое используют, чтобы усиливать или переключать электрические сигналы и питание) на кремниевом чипе будет удваиваться каждые два года.

Чем известен Гордон Мур?

Мур был не только теоретиком, но и практиком. Он получил степень доктора философии в области химии и физики в Калифорнийском институте технологий. В 1968 году вместе с инженером Робертом Нойсом основал компанию Intel, которая специализируется на производстве полупроводниковой электроники и процессоров. Компании Мур посвятил треть жизни, успел поработать президентом и генеральным директором. В 1997 году, достигнув пенсионного возраста, он стал почетным председателем совета директоров. В 2006-м покинул Intel.

Как звучит закон Мура

Закон Мура не аксиома, а описание тенденции. Согласно ей количество транзисторов на интегральной микросхеме удваивается примерно каждые два года. То есть со временем на микросхеме можно разместить больше транзисторов. Таким образом, плотность интеграции транзисторов на микросхемах увеличивается, а их стоимость — снижается. Итог очевиден: технологии становятся эффективнее и дешевле.

График, отражающий закон Мура, согласно которому количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца

В основе закона — неизбежность технологического прогресса. Уменьшение размеров транзисторов и других компонентов на микросхемах позволяет производить более миниатюрные и эффективные транзисторы, что в свою очередь позволяет увеличивать их количество на чипе.

Большее количество транзисторов позволяет увеличивать вычислительную мощность компьютера, добавлять новые функции и возможности и повышает энергоэффективность устройств.

Почему менялось отношение к закону Мура

Сам принцип закона Мура со временем не менялся, чего нельзя сказать о его интерпретации. Вслед за технологическим прогрессом в полупроводниковой индустрии появлялись новые тезисы и аргументы, влияющие на восприятие закона Мура.

Эти наблюдения во многом стали основаниями для критики закона Мура.

Критика закона Мура

Не все ученые и инженеры согласны, что закон Мура все еще продолжает работать. И на то есть весомые основания.

Валерий Шунков, кандидат технических наук:

«Физика усложняется с каждым новым поколением. В самых первых микросхемах было десять химических элементов, в современных — три четверти таблицы Менделеева. Сегодня, когда мы говорим о новых проектах, то это колоссальный вызов с точки зрения физики. 0,4 нм — 4 атома. Всем было понятно, что 20 микрон — с точки зрения физики твердого тела очень большие цифры. Единицы нм — физика переходит из физики твердого тела в кванты. Было понятно, что все такие штуки упираются в фундаментальные физические ограничения — переход в кванты. Сейчас это обманули ушлые технологи: закон Мура отвязался от физики».

Работает ли закон Мура сейчас и когда он перестанет работать

Сегодня некоторые аспекты закона Мура продолжают соблюдаться, но выполнение его прямого условия — удвоение числа транзисторов на чипе каждые два года — стало более сложным. Вместо этого индустрия полупроводников исследует и применяет различные стратегии для поддержания роста производительности и функциональности чипов. Для этого используют новые материалы, разрабатывают более эффективные архитектуры и специализированные решения.

Скорость удвоения количества транзисторов на чипе снижается, что противоречит закону Мура. В этом случае используется термин «антимуровский закон».

У него нет конкретного автора и строгого определения. Предположительно, он появился в научном сообществе или индустрии для обозначения расхождений в ожиданиях и действительности в развитии кремниевой электроники. Он, как и закон Мура, не является непреложным правилом, а лишь отражает тенденцию.

По некоторым оценкам, до 40% глобального роста производительности, достигнутого за последние два десятилетия, объясняется распространением информационных и коммуникационных технологий, которое стало возможным благодаря именно повышению производительности и стоимости полупроводников.

В 2016 году бывший CEO Intel Брайан Крзанич заявил, что закон Мура будет продолжать работать еще в ближайшие 10–15 лет, но потребуются технологические инновации и новые подходы для дальнейшего развития отрасли.

«Соревнование между ведущими производителями продолжается и даже приобретает новые смыслы. Последние лет десять многие говорили, что закон Мура исчерпал себя и не нужен. Драйвером закона Мура всегда были персональные компьютеры, а сейчас любые необходимые человеку вычислительные мощности можно засунуть не то что в мобильник, а даже в часы. Вопрос в размере батарейки.

С ростом популярности искусственного интеллекта и технологий, основанных на нем, стало понятно, в чем может быть польза закона. Мощности, которые потребляют AI-фичи, — это уже проценты от общего энергопотребления планеты, и оно только растет. Задача оптимизировать технологии, чтобы повысить энергоэффективность, снова актуальна. В последние года два эксперты опять говорят, что закон Мура нужен, важен и надо искать способы, чтобы он продолжал работать».

Закон Мура — эндшпиль и удивительные продолжения

Время на прочтение

Одной из технологических основ общества XXI века, несомненно, является «Закон Мура», строго говоря, физическим законом не являющийся. Это эмпирическое наблюдение, впервые сформулированное Гордоном Муром (1929 — 2023) в 1965 году и затем уточнённое в 1975 году — о том, что при существующем темпе развития аппаратного обеспечения число транзисторов на кристалле интегральной схемы удваивается каждые 24 месяца. Этот знаменитый «закон» действительно исправно работал на протяжении XX века и с определёнными оговорками продолжает работать и сегодня. В настоящее время на смену закону Мура постепенно приходит закон Хуанга, точнее описывающий тенденции роста производительности вычислительных систем. Поскольку Гордон Мур практически всю карьеру провёл в корпорации Intel, его тезис можно считать маркетинговой стратегией в производстве микросхем, которой следовали производители, и эта тенденция жёстко зависит от развития фотолитографии. Но у закона Мура оказались интересные следствия, проявившиеся при попытке его обойти или продлить, о которых я кратко расскажу в этой статье.

В 1963 году, накануне появления закона Мура, были изобретены чипы CMOS (КМОП — комплементарный металл-оксидный полупроводник). Проектирование таких чипов было основано на фотолитографии.

Фотолитография – это технология вычерчивания заданного рисунка на кремниевой основе (подложке). При помощи фотолитографии можно получать микросхемы любой заданной топологии. В процессе изготовления микросхемы подложка покрывается светочувствительным материалом (фоторезистом), а поверх фоторезиста — маской, которая оставляет неприкрытыми только те зоны, которые затем нужно обработать лазером (этот шаг называется «травлением» микросхемы). Под воздействием лазера фоторезист испаряется, и на поверхности кремниевой пластины остаётся заданный рисунок. Так она оказывается сегментированной на отдельные транзисторы.

Технология фотолитографии применительно к закону Мура многократно популярно разобрана на Хабре и в других источниках, поэтому здесь о ней достаточно простого упоминания. Но сама суть фотолитографии такова, что она применима к любому полупроводниковому материалу и очень легко масштабируется. Требуется лишь добиться точного воспроизведения топологии, подобрать идеальные линзы и постепенно добиваться утончения рабочего лазерного луча. Так и происходит (до сих пор) миниатюризация микросхем. Гордон Мур, обладавший стратегическим видением перспектив IBM, предвидел поступательное развитие этих технологий и, в частности, источников света. Именно поэтому он смог обрисовать тенденцию, долгое время работавшую с точностью закона.

Первое поколение КМОП-транзисторов вытравливалось на пластинах таким образом, что отдельные детали рисунка в транзисторах достигали размера около 10 мкм и более. Сегодня в промышленное использование уже вошли чипы размером около 30 нм, а опытные образцы TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) достигают 5 и 3 нм. Переход на линейку чипов по 2 нм запланирован на 2025 год. Вот как, по мнению Intel, выглядит миниатюризация чипов в ближайшем будущем:

Здесь прослеживаются две встречные тенденции. Первая связана с вторжением квантовых эффектов в работу чипа. Квантовые эффекты начинают проявляться уже в чипах размером порядка 28 нм, а при уменьшении чипа до 3-5 нм квантовые эффекты хотя и возможно контролировать, но не учитывать нельзя. Современная полупроводниковая индустрия — это продажа идеально гладких кремниевых и германиевых пластин шириной по несколько миллиметров, а капитальные затраты на организацию нового предприятия по производству чипов оцениваются не менее чем в 3 миллиарда евро. Вторая тенденция — экономическая. Наращивать вычислительную мощность устройств, одновременно удешевляя их, пока можно, только придерживаясь закона Мура, то есть, умещая на единице площади пластины всё больше и больше транзисторов.

Таким образом, к началу второго десятилетия XXI века закон Мура начал сбоить, а сейчас близок к своему финалу. Диаметр атома кремния — около 0,24 нм, это и есть физический предел миниатюризации полупроводникового транзистора. На вышеприведённой диаграмме хорошо видно, что близкую к закону Мура динамику демонстрируют и другие показатели вычислительной техники: частота процессора, производительность однопоточных программ, количество логических ядер.

Представляется, что исчерпание возможностей закона Мура неизбежно наступит (причём, достаточно скоро), но в этом нет ничего непоправимого. Сейчас продолжаются изыскания, как добиться дальнейшего уменьшения и ускорения устройств. Существовали опасения, что уже за пределом 20 нм мы столкнёмся с такими сложностями, при которых развитие полупроводниковой промышленности остановится, но этого не произошло.

Пока мы ещё очень далеки от абсолютных физических пределов миниатюризации (транзистор в сотни раз больше атома). Что касается максимальной частоты процессора – к ней близок AMD FX, развивающий частоту около 8,429 ГГц, но только при охлаждении в жидком азоте. При этом теоретически реализуемая частота процессора может немного превышать 22 ГГц — этот предел задан скоростью распространения электричества в проводнике.

Как обойти закон Мура

Теоретические пределы существуют всегда, и это ещё не означает, что они достижимы на практике. Например, КПД 100% недостижим по чисто термодинамической причине. Уже известен экспериментальный процессор, работающий при сверхнизких температурах и сконструированный с применением сверхпроводников, теоретически разгоняемый до частоты 10 ГГц. При изготовлении полупроводниковых пластин не из кремния, а из более экзотических соединений, например, арсенида галлия, представляется возможным добиться частоты 1 ТГц (1000 ГГц). Но на практике ускорение вычислений должно достигаться не столько в физически-аппаратной плоскости, сколько через совершенствование алгоритмов и развитие квантовых компьютеров, одним из наиболее перспективных среди которых является Borealis. По-видимому, именно с появлением общедоступных квантовых компьютеров закон Мура окончательно потеряет актуальность. Но в настоящее время вычислительную мощность пытаются наращивать не только через миниатюризацию транзисторов, но и через опыты с их компоновкой. Нащупывая предел миниатюризации транзисторов, производители устройств пытаются экспериментировать с компоновкой кристаллов, выстраивая из них этажерочные структуры. Поскольку кристаллы очень тонкие, удаётся практически удвоить число транзисторов в приборе, почти не увеличивая его вес и габариты.

Что касается подключения ИС друг к другу, многообещающим решением кажутся оптические волноводы. Оптическая шина в сравнении с обычной электрической существенно увеличивает пропускную способность, а ещё такую шину проще защитить от помех и посторонних сигналов (которых она также не даёт). Оптические волноводы уже применяются в телевизорах для подключения динамиков именно потому, что при работе с динамиками важно не допускать зашумленности.

В остальном развитие вычислительных мощностей в первой половине XXI зависит не столько от закона Мура, сколько от новых алгоритмов, оптимизации производительности, в том числе, путём перехода на низкоуровневые языки, а также развития квантовых вычислений.

Полагаю, к теме трёхмерного структурирования кристаллов на чипе ещё вернусь в отдельной статье. Здесь же давайте подробнее поговорим о перспективах фотоники в качестве замены электронике в производстве чипов.

Субсветовой предел

В настоящее время компания Intel выводит в массовое использование транзисторы, имеющие в поперечнике 14 нанометров — то есть, всего в 14 раз шире молекулы ДНК. Транзисторы удобно изготавливать на кремниевой подложке, так как кремний — второй по распространённости элемент в земной коре, уступает только кислороду. Если бы в середине прошлого века развитие полупроводниковых технологий пошло на основе германия, а не на основе кремния, вычислительная техника могла бы никогда не стать столь массовой, как сегодня.

Современные транзисторы имеют около 70 атомов кремния в ширину, а их логическое переключение и связь между ними обеспечиваются при помощи электричества (электронов). Скорость распространения электрического сигнала в проводнике равна скорости света, однако при обычном напряжении электроны могут развивать в полупроводнике (кремниевой пластине) около 90% от скорости света. Оптический транзистор, в работе которого участвовали бы лазер и система линз, определённо будет крупнее электронного транзистора, но и передача информации в нём значительно ускорится. В 2021 году в Страсбургском университете была предложена модель универсального фотонного транзистора, а другое исследование показало, что фотонные транзисторы могут работать в 100-1000 раз быстрее традиционных, имеющихся на рынке. Кроме того, оптические транзисторы вполне можно интегрировать с обычными, постепенно заменяя старую технологию новой.

Транзистор состоит из трёх элементов: истока, вентиля и стока. Можно провести аналогию между транзистором и цифровой камерой с картой памяти. В данном случае роль истока играет объектив (через объектив в камеру поступает свет). Далее свет проникает на матрицу камеры, и этот канал играет роль вентиля. Наконец, информация сохраняется на карте памяти, которая в этом примере аналогична стоку.

Поскольку фотон, как и электрон — это волна, не существует фундаментальных препятствий, которые не позволяли бы передавать информацию в чипе при помощи света, а не электрического сигнала. Более того, даже в пределах видимого спектра длина волны у фотонов заметно отличается, что обеспечивает значительную гибкость при передаче данных. Но вибрация волны электрона подобна вибрации волны фотона, поэтому электронные технологии в принципе можно переориентировать на фотонные.

Длина волны зависит от того, через какую среду распространяется свет. В прозрачном кристалле кремния рабочая длина фотона, удобная для передачи сигнала, составляет 1,3 микрометра. У электронов в кремниевом кристалле такие волны гораздо короче, примерно в 50 – 1000 раз.

Это значит, что транзисторы для работы с фотонами должны быть крупнее электронных, а вместе с транзисторами увеличатся и сами устройства. Но на практике оказывается, что увеличивать чипы совершенно необязательно, а вычислительную мощность устройств можно нарастить. Дело в том, что для работы фотонного чипа нужно лишь несколько источников света (генераторов фотонов), а направлять их в пределах устройства можно при помощи специальной системы линз и зеркал.

В кремниевом кристалле свет движется примерно в 20 раз быстрее, чем электроны, что означает двадцатикратное ускорение вычислений. Следуя закону Мура, такого прогресса можно добиться не менее чем за 15 лет.

В последние годы достигнут существенный прогресс в производстве фотонных чипов. Сейчас основной упор делается на включение фотонных элементов в традиционные интегральные схемы и на ускорение традиционных архитектур в качестве проверки работоспособности фотонной микроэлектроники.

Графеновый транзистор

Однако существует ещё один прямолинейный способ продлить действие закона Мура — отодвинуть предел миниатюризации транзистора можно, перейдя с кремния на углерод. Радиус атома углерода — около 70 пикометров, что существенно меньше радиуса атома кремния (111 пикометров). В сущности, транзистор — это микроприбор, позволяющий усиливать или переключать электрические сигналы. За «перещёлкивание» транзистора отвечает вентиль, его центральная часть, состояния вентиля соответствуют «0» или «1». Поскольку вентиль — лишь часть транзистора, можно предположить, что в графеновом транзисторе размер вентиля можно довести до 1 нанометра и даже менее, но это и есть абсолютный предел, на котором может действовать закон Мура. В статье Тянлинь Рена от 2020 года описан действующий транзистор длиной 0,34 нм.

В интервью сайту IEEE Spectrum Тяньлин Рен утверждает, что более миниатюрный транзистор создать невозможно. Он рассказал, что это не первый действующий углеродный транзистор, и этот прибор изготовлен на основе более ранних моделей, где для передачи сигнала использовались углеродные нанотрубки. Лист графена — это, фактически, развёрнутая в плоскости углеродная нанотрубка, но китайские учёные получили графеновый слой иным образом: напылением атомов углерода на подложку из диоксида кремния. Затем между слоем углерода и диоксидом кремния был проложен слой оксида алюминия, позволивший изучать свойства графенового слоя в отдельности. Затем в этом трёхслойном материале было вытравлено подобие ступеньки, вдоль которой удалось вертикально расположить часть графенового слоя, создав импровизированный транзисторный вентиль.

Заключение

Закон Мура по состоянию на начало 2023 года можно охарактеризовать фразой «это было навсегда, пока не кончилось». Потребность в вычислительных мощностях продолжает расти, и в этой статье было обрисовано три основных пути, которые, возможно, помогут свернуть с заданного им трека:

В практической плоскости эти проблемы, вероятно, приведут к ускорению вычислений программными, а не аппаратными средствами: к появлению новых алгоритмов, вариантов оптимизации, и даже новых языков программирования. Но в описанных изысканиях, особенно в проектировании трёхмерных чипов, есть малозаметный фундаментальный компонент: возможно, необходимость учитывать при вычислениях как квантовые эффекты, так и взаимное расположение мельчайших транзисторов, поможет быстрее создать теорию квантовой гравитации. Возможно, также будет найден путь к созданию вероятностных процессоров, на данный момент остающихся гипотетическими. Некоторые из этих разработок надеюсь подробнее разобрать в одной из следующих статей.

В 1965 году Гордон Мур, сооснователь и почетный председатель корпорации Intel, представил закон Мура — ключевой принцип развития технологий. Закон Мура предсказывает продолжающийся экспоненциальный рост вычислительной мощности, при этом количество транзисторов в микрочипах удваивается примерно каждые два года. Это явление означает постоянное и быстрое улучшение возможностей tron устройств.

Помимо своей точности прогнозирования, закон Мура стал движущей силой формирования стратегий и ожиданий в полупроводниковой промышленности и за ее пределами. Это подчеркивает неустанное развитие возможностей tron устройств за счет удвоения количества транзисторов без увеличения производственных затрат, что приводит к повышению производительности и эффективности. Этот экспоненциальный рост вычислительной мощности имеет глубокие последствия для различных областей, включая криптографию, блокчейн технологии, цифровые коммуникации и безопасность, способствуя развитию более сложных и эффективных систем.

Закон Мура и его влияние на криптографию

Неустанное предсказание закона Мура об увеличении вычислительной мощности оставило неизгладимый след в мире криптографии. Этот непрекращающийся рост напрямую влияет на развитие и эффективность криптографических методов, что имеет глубокие последствия как для безопасности, так и для уязвимости.

Удвоение плотности транзисторов, согласно закону Мура, напрямую улучшило выполнение сложных криптографических алгоритмов. Этот рост вычислительных мощностей позволяет создавать более безопасные методы шифрования и дешифрования. В результате криптографические методы продолжают развиваться, становясь все более сложными и надежными, обеспечивая защиту цифровых коммуникаций и конфиденциальных данных.

Несмотря на эти преимущества, возросшая вычислительная мощность также расширяет возможности потенциальных противников, требуя постоянного развития криптографических методов. Ситуация с безопасностью остается динамичной, и ранее безопасные методы потенциально становятся уязвимыми. Криптографам приходится адаптироваться, используя более длинные ключи и более сложные matic операции, чтобы противостоять растущим возможностям злоумышленников. Эта продолжающаяся битва между инновациями и уязвимостью подчеркивает решающую роль криптографии в обеспечении конфиденциальности и безопасности данных в нашем постоянно развивающемся технологическом ландшафте.

Положительное и отрицательное влияние закона Мура на криптографию

Влияние закона Мура на криптографию двоякое: оно глубоко влияет на аспекты безопасности и уязвимости цифровой связи. Положительным моментом является то, что это стало катализатором значительного прогресса в методах шифрования. Благодаря быстрому росту вычислительной мощности криптографы использовали этот импульс для разработки алгоритмов шифрования повышенной сложности и безопасности. Большая длина ключей и сложные matic операции, интегрированные в эти алгоритмы, экспоненциально усложнили расшифровку данных без надлежащего ключа. В эпоху, полную утечек данных и киберугроз, это усовершенствование имеет решающее значение для сохранения личной конфиденциальности и корпоративной безопасности.

Более того, эти криптографические достижения усилили защиту от киберугроз, защищая конфиденциальные данные в таких критически важных секторах, как финансы и правительство. В цифровой среде, где информация является ценным активом, обеспечение ее защиты остается первостепенным. Прогресс, основанный на законе Мура, способствовал развитию криптографических систем, способных противостоять различным кибератакам, сохраняя целостность и dent данных.

И наоборот, закон Мура создает проблемы в криптографии. Экспоненциальный рост вычислительной мощности, обеспечивая tron шифрование, также расширяет возможности потенциальных злоумышленников. Такое ускорение может сократить время, необходимое для взлома ключей шифрования, обнажая уязвимости в ранее безопасных методах шифрования.

Эта динамика подчеркивает необходимость гибкого и дальновидного подхода к криптографии. По мере роста вычислительной мощности ранее безопасные методы могут стать уязвимыми и потенциально устареют быстрее, чем раньше. Адаптация к этой постоянной проблеме требует не только идти в ногу с технологическими достижениями, но и заранее предвидеть будущие разработки, гарантируя, что методы шифрования опережают потенциальные уязвимости.