50 lat Prawa Moore'a. Ile jeszcze wykładniczego postępu przed nami?

50 lat temu niejaki Gordon Moore, szef laboratorium firmyFairchild Semiconductor, opublikował w branżowym elektronicznymperiodyku artykuł, w którym przedstawił wizjonerską prognozę.Stwierdził, że liczba dyskretnychkomponentów możliwych do upakowania w pojedynczym czipiekomputerowym będzie się co rok podwajała, podczas gdy cena tychżeczipów pozostanie stała. Gordon Moore stał się późniejwspółzałożycielem Intela, a jego prognoza stała się zarównonapędzającą firmy ideą postępu w branży półprzewodników, jaki standardem, którego przestrzeganie jest konieczne, by w tej branżyw ogóle przetrwać. Czy jednak to, co niesłusznie nazywa się„prawem Moore'a” (z metodologicznego punktu widzenia należałobymówić raczej o „zasadzie”), może obowiązywać bez końca?Kres obowiązywania prognozy Gordona Moore'a zapowiadano jużniejednokrotnie, a dziś, 50 lat po sformułowaniu jej w pierwszejpostaci, warto ponownie się nad tą kwestią zastanowić.

Źródłem prawa Moore'a jestdoświadczenie. Jego autor w 1964 był jednym z konstruktorów układuscalonego, który zawierał 32 tranzystory. Rok później kierowanemuprzez niego zespołowi udało się zbudować czip z 64 tranzystorami.Prognoza w historycznym dziś artykule w piśmie „Electronics” towłaśnie efekt założenia, że takie podwajanie uda się utrzymaćprzynajmniej przez kolejne dziesięciolecie. Dopiero pod koniec tegodziesięciolecia, już w latach siedemdziesiątych, gdy zauważono żefaktycznie liczba tranzystorów w czipach podwaja się mniej więcejco rok, przyjaciel Moore'a, pan Carver Mead, nazwał obserwowanezjawisko Prawem Moore'a.

Warto podkreślić, że sam Moorenigdy o swojej prognozie nie myślał jako o prawie, czyliformalizacji jakiegoś fundamentalnego aspektu działaniawszechświata. Było to po prostu szacowanie, wynikające z wiedzy oekonomii i elektronice, zrozumienia, że istnieje optymalna dladanego poziomu techniki liczba komponentów możliwych doumieszczenia w układzie scalonym. Im ich więcej, tym cenajednostkowa spada, ale też nie można bez granic zwiększać ichliczby, gdyż wówczas rośnie koszt produkcji układu, podążającza prawem malejących przychodów. Zestawienie tych zależności naukładzie współrzędnych pokazało, że mamy do czynienia z funkcjąwykładniczą – i na tej podstawie Moore zaryzykował twierdzenie,że tam może jeszcze być przynajmniej przez dziesięć lat.

To jednak nie oryginalna prognozaGordona Moore'a stała się tym, co dziś znamy jako „prawo” jegoimienia. Choć jeszcze do roku 1975 faktycznie mieliśmy do czynieniaz podwajaniem liczby tranzystorów w czipie co rok, to inżynier tenzauważył, że tempo takie jest nie do utrzymania. Uznał, że jużod 1980 roku powinniśmy zaobserwować jego zwolnienie, tak że dopodwojenia liczby komponentów czipu będzie dochodzić co dwa lata.

Uważni Czytelnicy zauważąjednak, że w kontekście Prawa Moore'a nie mówi się jednak tyle oliczbie elementów w czipie, co o mocy obliczeniowej. Skąd taróżnica? To z kolei wynik obserwacji innego inżyniera Intela,Dave'a House'a. Zauważył on, że choć tempo przyrostu liczbyelementów maleje, to same tranzystory stają się szybsze. To zaśpowinno oznaczać, że moc obliczeniowa układu scalonego powinnapodwajać się co ok. 18 miesięcy. W tej właśnie współczesnejformie Prawo Moore'a zostało zaakceptowane przez przemysłelektroniczny.

Co może najbardziej zaskakiwać,ta wersja Prawa Moore'a okazała się słuszną nie tylko dlaprzyszłości, ale też i dla przeszłości, rozpoczynającej się odpierwszego niemieckiego przedwojennego elektromechanicznego komputeraZ1, pozwalającego wykonać ok. 1 operację na sekundę. Tenwykładniczy wzrost towarzyszył nam jeszcze do końca lat zerowychXXI wieku – a potem zaczęto coraz częściej mówić o tym, żePrawo Moore'a się skończyło. Nawet sam Intel w 2003 rokusugerował, że koniec może nastąpić przed 2018 roku, kiedy toefekty kwantowe sprawią, że tranzystory nie będą mogły jużbyć dalej miniaturyzowane. Kres obowiązywania napędzającejprzemysł elektroniczny prognozy z 1965 roku przedstawiany był wciemnych barwach – a gdy na dobre skończył się wyścig namegaherce między producentami procesorów, przez chwile słychaćbyło głosy, że to w ogóle koniec innowacji dla elektroniki iteraz postęp w tej dziedzinie będzie przypominał w najlepszymrazie ślamazarne tempo rozwoju motoryzacji.

Podczas rozwoju technologii półprzewodnikowych w tempienarzuconym przez Prawo Moore'a wyłoniła się druga, mniej znanazasada skalowania, sformułowana przez Roberta Dennarda. Mówiłaona, że w miarę zmniejszania tranzystorów ich gęstośćenergetyczna pozostaje stała – tak więc zużycie energiipozostaje proporcjonalne do powierzchni. Mniejsze tranzystorypotrzebują mniejszego napięcia i natężenia prądu, tak więc wrazz kolejnymi generacjami czipów o coraz większej liczbietranzystorów, będą one wydzielały mniej ciepła i zużywałymniej energii. I to właśnie ta zasada zawiodła, a nie PrawoMoore'a. Nagle okazało się, że poniżej pewnych rozmiarówtranzystorów pojawiają się prądy upływu, prowadzące doeskalującego się nagrzewania układu (przez pętlę dodatniegosprzężenia zwrotnego). To właśnie kres zasady skalowania Dennardadoprowadził do tego, że zamiast podkręcać zegary, postawiono nazwiększenie liczby rdzeni i optymalizację wydajności pojedynczychwątków.

Dzięki temu właśnie udało się utrzymać obowiązywanie PrawaMoore'a w jego współczesnej postaci do mniej więcej naszychczasów. Kres obowiązywania zasady skalowania Dennarda przełożyłsię jednak na obserwowane konsekwencje termodynamiczne. Producenciprocesorów starają się zwrócić naszą uwagę przede wszystkim naniski poziom zużycia energii na jałowym biegu czipu (to zasługainteligentnego zarządzania obciążeniami), ale pod pełnymobciążeniem widać co się faktycznie dzieje – maksymalnetemperatury pracy CPU osiągają nawet 95 stopni Celsjusza, coś niedo pomyślenia jeszcze na początku XXI wieku.

To jednak nie było jakimś wielkim problemem dla producentów –ciężar zainteresowania konsumentów przesunął się gdzie indziej.Już nie szczytowa wydajność ale właśnie sprawność wprzełączaniu się między jałowym biegiem, a poszczególnymizakresami obciążeń i elastyczne ich regulowanie zaczęły sięliczyć w świecie laptopów, smartfonów, czy wreszcie rozmaitychurządzeń ubieralnych. Jednocześnie nie ustawały przecież badaniapodstawowe, które przyniosły takie atrakcje jak memrystory czyneuroczipy, odwzorowujące w półprzewodnikach biologiczne strukturynerwowe. Zanim zobaczymy je na rynku, minie jeszcze trochę czasu,ale ich pojawienie się sprawi, że obowiązywanie Prawa Moore'awydłuży się o kolejne lata – oczywiście w jego kolejnej,czwartej czy piątej wersji. To bowiem nie prawo, lecz potrzebnynaszej cywilizacji techniczny mit.

Zmienna natura prawa Moore'a nie oznacza, że jest onobezwartościową bzdurą. Jest wręcz przeciwnie. Amerykańskisocjolog Donald MacKenzie powiedział, że ekonomia jestsilnikiem, a nie kamerą, conależy rozumieć, że ekonomia nie działa jako idealny neutralnyobserwator procesów rynkowych przeprowadzanych przez ludzi podnieobecność ekonomistów, lecz raczej tworzy środowisko dlaprocesów rynkowych. Taki właśnie jest sens Prawa Moore'a – niejest to prawo natury, ani empirycznie obserwowana zasada fizyki, leczcoś, do czego przemysł elektroniczny – jako agregat powiązanychze sobą relacjami licencyjnymi firm, prowadzących badaniapodstawowe uczelni i laboratoriów stara się mierzyć. By współpracauczestników tych relacji była możliwa, konieczne jest posiadaniepewnego wspólnego celu – i Prawo Moore'a pokazuje ten cel, to, doczego należy zmierzać.

Utrzymanie pewnego stałegośredniego tempa wzrostu dla branży producentów półprzewodnikówjest bowiem o tyle istotne, że każdy kolejny poziom złożoności iminiaturyzacji wiąże się z koniecznością poczynienia corazwiększych inwestycji na budowę produkcyjnej infrastruktury. Wkażdej kolejnej iteracji potrzebne są ulepszone narzędzia,ulepszone materiały i ulepszone procesy biznesowe. Sama„niewidzialna ręka rynku” tu by nie wystarczyła – potrzebnyjest wspólny system wierzeń. I najwyraźniej takie budzenieprzekonań i oczekiwań u producentów i klientów wobec tego, czegonależy oczekiwać na bazie Prawa Moore'a działa na tyle dobrze, żew zeszłym roku wartość przedsięwzięć z nim związanych miałaosiągnąć jedną piątą wartości całej światowej gospodarki. Tojuż bowiem nie tylko szybsze smartfony, to także np. nowoczesnafarmacja, pozwalająca na konstruowanie i testowanie skomplikowanychleków w symulacjach superkomputerowych.

Niektórzy widzą realny koniec obowiązywania Prawa Moore'a wbardzo dalekiej przyszłości, sugerując że fizyczną granicę wdzisiejszym tempie osiągniemy za jakieś 600 lat. Tą granicą jesttzw. granica Bekensteina, maksymalna ilość informacji, którąmożna umieścić w skończonym obszarze przestrzeni, zawierającymskończoną ilość energii. Z niej wynika z kolei granicaBremermanna, określająca maksymalną szybkość obliczeń możliwądla fizycznego układu w naszym wszechświecie. Wynika z niej m.in.że układ o masie Ziemi byłby w stanie przeprowadzić ok. 1075operacji na sekundę.

To oczywiście ekstrema. Bardziej pesymistycznie nastawieni uczenimówią o kresie wszelkich sformułowań Prawa Moore'a już w ciągunajbliższych 40 lat – również wskazując na fundamentalneograniczenia fizyczne. Czy jednak to musi oznaczać kresinnowacyjności, początek ery w której iPhone 37S nie będzie wniczym gorszy od iPhone'a 38? Wbrew pozorom, wcale tak być nie musi.Wypłaszczenie tempa ulepszania półprzewodników może mieć bardzociekawe konsekwencje dla przemysłu jak i dla całej gospodarki.

O tym jednak już za tydzień, a póki co zapraszamy do obejrzenia wywiadu z Gordonem Moore, poświęconym właśnie pięćdziesięcioleciu jego prognozy: