r   e   k   l   a   m   a
r   e   k   l   a   m   a

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

Strona główna AktualnościSPRZĘT

50 lat temu niejaki Gordon Moore, szef laboratorium firmy Fairchild Semiconductor, opublikował w branżowym elektronicznym periodyku artykuł, w którym przedstawił wizjonerską prognozę. Stwierdził, że liczba dyskretnych komponentów możliwych do upakowania w pojedynczym czipie komputerowym będzie się co rok podwajała, podczas gdy cena tychże czipów pozostanie stała. Gordon Moore stał się później współzałożycielem Intela, a jego prognoza stała się zarówno napędzającą firmy ideą postępu w branży półprzewodników, jak i standardem, którego przestrzeganie jest konieczne, by w tej branży w ogóle przetrwać. Czy jednak to, co niesłusznie nazywa się „prawem Moore'a” (z metodologicznego punktu widzenia należałoby mówić raczej o „zasadzie”), może obowiązywać bez końca? Kres obowiązywania prognozy Gordona Moore'a zapowiadano już niejednokrotnie, a dziś, 50 lat po sformułowaniu jej w pierwszej postaci, warto ponownie się nad tą kwestią zastanowić.

Źródłem prawa Moore'a jest doświadczenie. Jego autor w 1964 był jednym z konstruktorów układu scalonego, który zawierał 32 tranzystory. Rok później kierowanemu przez niego zespołowi udało się zbudować czip z 64 tranzystorami. Prognoza w historycznym dziś artykule w piśmie „Electronics” to właśnie efekt założenia, że takie podwajanie uda się utrzymać przynajmniej przez kolejne dziesięciolecie. Dopiero pod koniec tego dziesięciolecia, już w latach siedemdziesiątych, gdy zauważono że faktycznie liczba tranzystorów w czipach podwaja się mniej więcej co rok, przyjaciel Moore'a, pan Carver Mead, nazwał obserwowane zjawisko Prawem Moore'a.

Niejedno sformułowanie Prawa Moore'a

Warto podkreślić, że sam Moore nigdy o swojej prognozie nie myślał jako o prawie, czyli formalizacji jakiegoś fundamentalnego aspektu działania wszechświata. Było to po prostu szacowanie, wynikające z wiedzy o ekonomii i elektronice, zrozumienia, że istnieje optymalna dla danego poziomu techniki liczba komponentów możliwych do umieszczenia w układzie scalonym. Im ich więcej, tym cena jednostkowa spada, ale też nie można bez granic zwiększać ich liczby, gdyż wówczas rośnie koszt produkcji układu, podążając za prawem malejących przychodów. Zestawienie tych zależności na układzie współrzędnych pokazało, że mamy do czynienia z funkcją wykładniczą – i na tej podstawie Moore zaryzykował twierdzenie, że tam może jeszcze być przynajmniej przez dziesięć lat.

r   e   k   l   a   m   a

To jednak nie oryginalna prognoza Gordona Moore'a stała się tym, co dziś znamy jako „prawo” jego imienia. Choć jeszcze do roku 1975 faktycznie mieliśmy do czynienia z podwajaniem liczby tranzystorów w czipie co rok, to inżynier ten zauważył, że tempo takie jest nie do utrzymania. Uznał, że już od 1980 roku powinniśmy zaobserwować jego zwolnienie, tak że do podwojenia liczby komponentów czipu będzie dochodzić co dwa lata.

Uważni Czytelnicy zauważą jednak, że w kontekście Prawa Moore'a nie mówi się jednak tyle o liczbie elementów w czipie, co o mocy obliczeniowej. Skąd ta różnica? To z kolei wynik obserwacji innego inżyniera Intela, Dave'a House'a. Zauważył on, że choć tempo przyrostu liczby elementów maleje, to same tranzystory stają się szybsze. To zaś powinno oznaczać, że moc obliczeniowa układu scalonego powinna podwajać się co ok. 18 miesięcy. W tej właśnie współczesnej formie Prawo Moore'a zostało zaakceptowane przez przemysł elektroniczny.

Co może najbardziej zaskakiwać, ta wersja Prawa Moore'a okazała się słuszną nie tylko dla przyszłości, ale też i dla przeszłości, rozpoczynającej się od pierwszego niemieckiego przedwojennego elektromechanicznego komputera Z1, pozwalającego wykonać ok. 1 operację na sekundę. Ten wykładniczy wzrost towarzyszył nam jeszcze do końca lat zerowych XXI wieku – a potem zaczęto coraz częściej mówić o tym, że Prawo Moore'a się skończyło. Nawet sam Intel w 2003 roku sugerował, że koniec może nastąpić przed 2018 roku, kiedy to efekty kwantowe sprawią, że tranzystory nie będą mogły już być dalej miniaturyzowane. Kres obowiązywania napędzającej przemysł elektroniczny prognozy z 1965 roku przedstawiany był w ciemnych barwach – a gdy na dobre skończył się wyścig na megaherce między producentami procesorów, przez chwile słychać było głosy, że to w ogóle koniec innowacji dla elektroniki i teraz postęp w tej dziedzinie będzie przypominał w najlepszym razie ślamazarne tempo rozwoju motoryzacji.

Każdy koniec jest okazją do nowego początku

Podczas rozwoju technologii półprzewodnikowych w tempie narzuconym przez Prawo Moore'a wyłoniła się druga, mniej znana zasada skalowania, sformułowana przez Roberta Dennarda. Mówiła ona, że w miarę zmniejszania tranzystorów ich gęstość energetyczna pozostaje stała – tak więc zużycie energii pozostaje proporcjonalne do powierzchni. Mniejsze tranzystory potrzebują mniejszego napięcia i natężenia prądu, tak więc wraz z kolejnymi generacjami czipów o coraz większej liczbie tranzystorów, będą one wydzielały mniej ciepła i zużywały mniej energii. I to właśnie ta zasada zawiodła, a nie Prawo Moore'a. Nagle okazało się, że poniżej pewnych rozmiarów tranzystorów pojawiają się prądy upływu, prowadzące do eskalującego się nagrzewania układu (przez pętlę dodatniego sprzężenia zwrotnego). To właśnie kres zasady skalowania Dennarda doprowadził do tego, że zamiast podkręcać zegary, postawiono na zwiększenie liczby rdzeni i optymalizację wydajności pojedynczych wątków.

Dzięki temu właśnie udało się utrzymać obowiązywanie Prawa Moore'a w jego współczesnej postaci do mniej więcej naszych czasów. Kres obowiązywania zasady skalowania Dennarda przełożył się jednak na obserwowane konsekwencje termodynamiczne. Producenci procesorów starają się zwrócić naszą uwagę przede wszystkim na niski poziom zużycia energii na jałowym biegu czipu (to zasługa inteligentnego zarządzania obciążeniami), ale pod pełnym obciążeniem widać co się faktycznie dzieje – maksymalne temperatury pracy CPU osiągają nawet 95 stopni Celsjusza, coś nie do 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 w przełączaniu się między jałowym biegiem, a poszczególnymi zakresami obciążeń i elastyczne ich regulowanie zaczęły się liczyć w świecie laptopów, smartfonów, czy wreszcie rozmaitych urządzeń ubieralnych. Jednocześnie nie ustawały przecież badania podstawowe, które przyniosły takie atrakcje jak memrystory czy neuroczipy, odwzorowujące w półprzewodnikach biologiczne struktury nerwowe. Zanim zobaczymy je na rynku, minie jeszcze trochę czasu, ale ich pojawienie się sprawi, że obowiązywanie Prawa Moore'a wydłuży się o kolejne lata – oczywiście w jego kolejnej, czwartej czy piątej wersji. To bowiem nie prawo, lecz potrzebny naszej cywilizacji techniczny mit.

Gospodarka napędzana mitologią

Zmienna natura prawa Moore'a nie oznacza, że jest ono bezwartościową bzdurą. Jest wręcz przeciwnie. Amerykański socjolog Donald MacKenzie powiedział, że ekonomia jest silnikiem, a nie kamerą, co należy rozumieć, że ekonomia nie działa jako idealny neutralny obserwator procesów rynkowych przeprowadzanych przez ludzi pod nieobecność ekonomistów, lecz raczej tworzy środowisko dla procesów rynkowych. Taki właśnie jest sens Prawa Moore'a – nie jest to prawo natury, ani empirycznie obserwowana zasada fizyki, lecz coś, do czego przemysł elektroniczny – jako agregat powiązanych ze sobą relacjami licencyjnymi firm, prowadzących badania podstawowe uczelni i laboratoriów stara się mierzyć. By współpraca uczestników tych relacji była możliwa, konieczne jest posiadanie pewnego wspólnego celu – i Prawo Moore'a pokazuje ten cel, to, do czego należy zmierzać.

Utrzymanie pewnego stałego średniego tempa wzrostu dla branży producentów półprzewodników jest bowiem o tyle istotne, że każdy kolejny poziom złożoności i miniaturyzacji wiąże się z koniecznością poczynienia coraz większych inwestycji na budowę produkcyjnej infrastruktury. W każdej kolejnej iteracji potrzebne są ulepszone narzędzia, ulepszone materiały i ulepszone procesy biznesowe. Sama „niewidzialna ręka rynku” tu by nie wystarczyła – potrzebny jest wspólny system wierzeń. I najwyraźniej takie budzenie przekonań i oczekiwań u producentów i klientów wobec tego, czego należy oczekiwać na bazie Prawa Moore'a działa na tyle dobrze, że w zeszłym roku wartość przedsięwzięć z nim związanych miała osiągnąć jedną piątą wartości całej światowej gospodarki. To już bowiem nie tylko szybsze smartfony, to także np. nowoczesna farmacja, pozwalająca na konstruowanie i testowanie skomplikowanych leków w symulacjach superkomputerowych.

Czy zatem Prawo Moore'a może kiedykolwiek się skończyć?

Niektórzy widzą realny koniec obowiązywania Prawa Moore'a w bardzo dalekiej przyszłości, sugerując że fizyczną granicę w dzisiejszym tempie osiągniemy za jakieś 600 lat. Tą granicą jest tzw. granica Bekensteina, maksymalna ilość informacji, którą można umieścić w skończonym obszarze przestrzeni, zawierającym skończoną ilość energii. Z niej wynika z kolei granica Bremermanna, określająca maksymalną szybkość obliczeń możliwą dla fizycznego układu w naszym wszechświecie. Wynika z niej m.in. że układ o masie Ziemi byłby w stanie przeprowadzić ok. 1075 operacji na sekundę.

To oczywiście ekstrema. Bardziej pesymistycznie nastawieni uczeni mówią o kresie wszelkich sformułowań Prawa Moore'a już w ciągu najbliższych 40 lat – również wskazując na fundamentalne ograniczenia fizyczne. Czy jednak to musi oznaczać kres innowacyjności, początek ery w której iPhone 37S nie będzie w niczym gorszy od iPhone'a 38? Wbrew pozorom, wcale tak być nie musi. Wypłaszczenie tempa ulepszania półprzewodników może mieć bardzo ciekawe 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:

© dobreprogramy
r   e   k   l   a   m   a
r   e   k   l   a   m   a

Komentarze

r   e   k   l   a   m   a
r   e   k   l   a   m   a
Czy wiesz, że używamy cookies (ciasteczek)? Dowiedz się więcej o celu ich używania i zmianach ustawień.
Korzystając ze strony i asystenta pobierania wyrażasz zgodę na używanie cookies, zgodnie z aktualnymi ustawieniami przeglądarki.