50 år med Moores lov – holder den stadig?

50 år med Moores lov – holder den stadig?

Share

I år er det 50 år siden, at den amerikanske ingeniør Gordon E. Moore for første gang fremsatte sin berømte erklæring om, at antallet af halvlederkomponenter i et integreret kredsløb vil fordobles hver andet år – siden kendt som ”Moores lov”. Men gælder den endnu? Alt om DATA giver Moore et realitetstjek

Ingen anden har som den amerikanske ingeniør Gordon E. Moore forudset it-fremtiden så præcist. I et indlæg i Electronics Magazine fra 19. april 1965 spåede den senere medstifter af processorgiganten, at it-industrien i 1975 ville kunne presse op til 65.000 halvlederkomponenter sammen på en enkelt chip. Da det kom til at holde stik, gik Moore skråsikkert ud og proklamerede, at den udvikling skam ville fortsætte. Derfor fik ”Moores lov” også hurtigt påklistret nogle følgeudsagn i stil med, at ydelsen af en ic-kreds vokser eksponentielt år for år, mens størrelsen og prisen falder i samme takt.

Det skulle også blive en selv-opfyldende profeti, for chip-producenterne tog simpelt hen spådommen til sig og brugte den som målsætning for al branchens forskning og produktion. Dygtige forskere og ingeniører har siden gjort alt for at presse stadigt flere mikrokomponenter sammen på stadigt mindre plads, hvilket bl.a. har medført udviklingen af både CMOS-transistoren, dram og flash-hukommelse sideløbende med nye smarte fremstillingsmetoder.

Nutidens chip-komponenter er snart nede i nanostørrelse. Det betyder, at det kan blive svært at styre elektronerne, fordi de bliver underlagt kvantefysikkens helt anderledes love.

I 1995 indeholdt en avanceret mikroprocessor eksempelvis små 10 millioner transistorer. Omkring år 2000 var denne bestykning vokset til over 40 millioner transistorer, og nu i 2015 regnes antallet i milliarder. Og det gælder ikke bare mikroprocessorer og hukommelseskredse, men også billedsensorer i digitale kameraer, hvor antallet og størrelsen af billedpunkter oplever nogenlunde samme eksponentielle stigning år for år.

Der er gået 50 år siden Moores udtalelse i månedsmagasinet. Spørgsmålet er så, om proklamationen stadig gælder, og hvis den gør, hvor lang tid den så vil blive ved med at gælde?

Det første spørgsmål må helt klart besvares med et bragende ”ja”. Efterhånden er de enkelte komponenter i en chip nået ned i mikroskopstørrelse, og i 2020 vil de formentlig være nået ned i molekylestørrelse. Som direkte følge af denne utrolige formindskelse er de også blevet hurtigere, ligesom priserne på ic-kredse er faldet.

Der er dog ikke tale om nogen naturlov. Og flere og flere forskere er begyndt at fremsætte berettiget tvivl om dens holdbarhed. I 2010 spåede eksempelvis ”International Technology Roadmap for Semiconductors”, der er en gruppe af industrieksperters guide-lines til industrien, at udviklingen ville stagnere omkring 2013. Moore selv er også begyndt at indse, at udviklingen ikke kan holde i al evighed og sandsynligvis når en rent fysisk betinget grænse i løbet af de kommende ti år. Faktisk forudser de allerfleste forskere og ingeniører inklusive Moore selv, at hans lille lovmæssighed vil smuldre inden for de næste 20-40 år.

Grænsen rykker nærmere

Problemerne banker allerede på. Moores lov har nemlig flere iboende skavanker og afføder i sig selv nogle uheldige konsekvenser.
I takt med at prisen på compu-terkraft falder, stiger prisen på produktion og afprøvning tilsvarende. Det er blevet udtrykt i en slags ”Moores lov 2”, hvorefter omkostningerne til produktion af halvlederkredse også er steget eksponentielt år for år. Da en fordobling af transistorer for hver 24. måned ifølge Moores lov alt andet lige må medføre en samtidig halvering af deres størrelse, stiger også deres ydelse (hastighed) med rundt regnet 40 procent. Antallet af komponenter kan imidlertid ikke bare øges ukritisk, men er underlagt ”Pollacks regel”.

Antallet af halvlederkomponenter – transistorer – i et kredsløb fordobles hvert andet år, forudsiges det i Moores lov. Og det har holdt stik indtil i dag, som denne Intel-illustration frem til 2011 viser. Forskellen mellem Intels første mikroprocessorchip 4004 fra 1971 og den seneste Intel Core i5-processor er, at ydelsen er 3500 gange højere og prisen blot 1/60.000.

Det er en lovmæssighed, der er blevet fremsat af Fred Pollack, der har været en af Intels ledende chip-ingeniører, og han gør gældende, at den stadigt mere komplicerede opbygning af moderne ic-kredse i mærkbar grad udhuler den opnåede ydelsesgevinst.

En anden negativ følge af Moores lov er den indbyggede forældelse, der uundgåeligt følger af, at næste års teknik på stort set alle punkter er bedre end forrige års. Men på områder, hvor sikkerhed og holdbarhed af både hardware og data er afgørende, og hvor økonomien også ofte spiller en væsentlig rolle, kan denne hurtige forældelse være en betydelig hindring for mange års støt og stabil drift, ligesom stadig bortskaffelse og produktion af ny hardware og komponenter med ofte giftigt indhold af blandt
andet tungmetaller kan udgøre en alvorlig belastning for miljøet.

Endnu liv i loven

Imens kæmper branchen for at forlænge gyldigheden af Moores lov så længe som muligt. Og de mest lovende, nye teknologiske landvindinger går ud på at udnytte elektronernes spin samt avancerede nano-materialer. De seneste processorer fra Intel anvender eksempelvis mikro-arkitektur i nanometerstørrelse, og en hel computer kan nu som i Intel-computeren Curie bygges ind i en knap. Det kan godt være, at selve den fysiske chip ikke bliver meget mindre, men der er mast langt flere transistorer ind på chippen, og det medfører endnu en begrænsning, eftersom det begynder at blive svært at forsyne dem alle med energi.

I 2008 var en dobbeltkernet Intel Atom-processor med datidens 45 nm-teknologi på størrelse med et riskorn. I 2014 havde 14 nm-teknologi gjort chippen otte gange mindre.

Den berømte amerikanske teoretiske fysiker Michio Kaku vurderer, at silicium-chips snart vil ramme en naturlig grænse, og det vil ske inden for de næste ti år. Han underbygger sin påstand med, at efterhånden vil komponenterne i en chip blive så små og ligge så tæt, at varmen fra dem får chippen til at smelte.

Allerede i dag er det netop grundet varmeudviklingen ikke hensigtsmæssigt at levere energi til samtlige transistorer på en moderne chip på samme tid, og kun en vis procentdel af transistorerne forsynes derfor med arbejdsstrøm ad gangen. Om tre til fire chip-generationer vil det måske gælde helt op til
halvdelen af transistorerne. Ellers vil komponenterne blive overophedede og regne forkert.

Både forskere og industrien er derfor over en bred kam enige om, at chipudviklingen snart rammer en mur, hvor det ikke længere er muligt at øge chippens ydelse med samme tempo som hidtil. En talsmand fra Intel indrømmer da også, at det bliver sværere at blive ved med at leve op til Moores lov. Og den typiske processorydelse vil i 2024 kun være 7,9 gange højere end i dag. Og så er er Moores lov ophævet.

• Hvis energiforbruget efter Moores lov også omfattede bilindustrien, kunne du køre bil et helt liv på en enkelt tankfuld. Og hvis formindskelsen også talte med, ville din bil nu være på størrelse med en myre.

• Nutidens transistorer er helt usynlige for det blotte øje. For overhovedet at se en moderne transistor i en chip, skulle chippen forstørres op til størrelsen af et hus. Omvendt ville blot den mikroprocessor, der sidder i en Android-mobil, tilbage i 1971 fylde en hel parkeringsplads.

• Gjaldt Moores lov for bygge-industrien, kunne du købe en skyskraber for omtrent det samme som en almindelig computer. Kunne du nøjes med et lille parcelhus, ville prisen være en lille femmer!

• Overførte du Moores lov til luftfarten ville det tage mindre tid at flyve fra New York til New Zealand, end du ville bruge på at spænde din sele.

Gordon E. Moore har ikke blot opfundet en pudsig lovmæssighed, som blev til en målsætning for en hel industri. Han har også selv medvirket til at skabe it-industrien. I 1957 var han medstifter af Fairchild Semiconductor og senere i 1968 Intel Corporation, der er markedets førende chipproducent.

Moore fungerede som topleder for Intel frem til 1987 og bestyrelsesformand for samme firma til 1997. I 2013 trak han sig tilbage fra alle erhvervsposter for at nyde sit otium og beskæftige sig med forskelligt frivilligt hjælpearbejde.

Del denne