Moorov zakon je mrtev! Naj živi Moorov zakon!

Gordon Moore je že pred desetletji napovedal, kako hitro bodo napredovala računalniška vezja. In če bi od takrat do danes z enakim tempom napredovale najvišje hitrosti, ki jih dosegajo osebni avtomobili, bi danes švigali po cestah s hitrostjo med deset in dvajset milijard kilometrov na uro.

Kako je sploh nastal Moorov zakon? Velik izum, ki je postavil dobre temelje prihajajoči računalniški dobi, je bil tranzistor; polprevodniški elektronski element, ki je nadomestil precej večje elektronke, ob tem pa je imel pred predhodnicami še vrsto prednosti – ob svoji majhnosti tudi precej manjšo energetsko potratnost (elektronke se morajo za delovanje dovolj ogreti) ter opazno daljšo življenjsko dobo. A pravi preboj se je zgodil s t. i. čipom, integriranim vezjem, ki na skupnem substratu v eno vezje povezuje več elementov.
 

Koliko jih lahko strpamo?

In ko je leta 1965 Gordon Moore, direktor razvoja pri družbi Fairchild Semiconductor (in poznejši soustanovitelj Intela), opazoval, kako je od leta 1959, ko se je pred pohodom integriranih vezij tranzistor uporabljal kot samostojen element, sledilo vezje z osmimi elementi, razvili pa so tudi takšnega s šestnajstimi elementi, je napisal članek Trpanje elementov na integrirana vezja. V njem je že na samem začetku tega trenda napovedal, da je prihodnost elektronike v integriranih vezjih in da se bo število elementov, ki jih bodo komercialno uspešno lahko strpali na eno vezje, vsako leto podvojilo. Če je bilo takrat že jasno, da bo vsak čas ekonomsko smiselno v vezje povezati 50 do 60 elementov, je Moore v članku zapisal: »Na kratek rok vsekakor lahko pričakujemo, da se bo ta trend nadaljeval. Na dolgi rok je hitrost povečevanja števila elementov morda bolj negotova, čeprav ne vidim razloga, zakaj ne bi ostala konstantna vsaj za desetletje. To pomeni, da bomo leta 1975 znali ekonomsko smiselno na vezje integrirati 65.000 elementov.«



V nadaljnjih razmišljanjih je rok za podvojitev števila tranzistorjev v enem vezju nekoliko raztegnil, a njegova napoved, da se bo število elementov na integriranih vezjih (in posledično njihova zmogljivost) približno vsako leto in pol podvojilo, je kmalu dobila ime »Moorov zakon«. Čeprav ne gre za zakon, kakršni so na primer Newtonovi, ki opisujejo fizikalne zakonitosti, pač pa bolj za predpostavko in oceno, pa je držal skoraj tako natančno kot Newtonova ugotovitev, da je pospešek telesa premosorazmeren z rezultanto sil na telo in obratnosorazmeren z maso telesa.
 

Metronom, ki odmerja napredek

V Intelu so dejali celo, da je Moorov zakon v sodobnem tehnološkem svetu deloval kot metronom – vztrajno, enakomerno in mnogi so si ga vzeli za merilo. Niso redki ljudje, ki menijo, da Moorov zakon ni tehnološkega napredka zgolj opisoval, pač pa ga je tudi oblikoval. Skozi leta je namreč postal tako znan, da naj bi v mnogih tehnoloških podjetjih njegova predvidevanja vzeli za mejnik, ki ga morajo doseči, če hočejo ostati konkurenčni na trgu računalniških čipov. Da je »zakon« zdržal več kot pet desetletij, je skoraj neverjetno – ni neobičajno, da nova tehnologija pri prvih korakih napreduje eksponentno, a da se na ta način lahko razvija več desetletij, je presenetljivo.
 

Meje rasti

Vsaka rast ima tudi svoje meje. Fizične in ekonomske. Tranzistorji in drugi elementi na čipih so postajali vse manjši in manjši. Na eni sami silicijevi rezini imate danes lahko deset milijard komponent. Deset milijard! Si to sploh lahko predstavljate? Ti elementi so že tako majhni, da jih s prostim očesom sploh ne vidimo. Če bi želeli s takim tempom miniaturizacije nadaljevati, bi že v času današnje generacije prišli do skrajne meje fizike – tranzistorji bi morali biti že manjši od najmanjšega atoma, kar je seveda protislovje; končni izdelek ne more biti manjši od svojih gradnikov (silicijev atom je velik približno 0,2 nanometra).



Že danes so milijarde komponent tako zelo majhne in tako zelo blizu skupaj, da je za navadne smrtnike to povsem nepredstavljivo. Med dvema komponentama je na primer pet nanometrov razmaka. Pet nanometrov ali, povedano drugače, pet milijardink metra. Komponente same niso dosti večje od tega – 14 nanometrov je že skoraj zastarelo, Intel je že zdaj pri 10 nanometrih (in po tem kriteriju ni več vodilni v panogi), sicer pa so na trgu tudi že 7-nanometrski polprevodniški elementi. Fizikalni zakoni bodo počasi panogi postavili meje, že zdaj pa jih postavljajo ekonomski zakoni; investicije za nadaljnji napredek morajo biti vse večje in za takšno hitrost razvoja, kot smo je bili vajeni zadnjih šest desetletij, ekonomika ne zdrži več.



A Steve Blank, tehnološki podjetnik iz Silicijeve doline, opozarja, da ni vse le v miniaturizaciji in posledičnem številu elementov na čipu: »Zdaj, ko smo naleteli na to mejo, bomo pač več truda namenili drugim področjem, kjer je prostora za napredek še dovolj. Število elementov ni vse, napredovati je možno tudi z nadaljnjo specializacijo elementov in novimi načini izrabe. Če primerjamo s človeškimi možgani, več deset tisoč let imajo človeški možgani približno sto milijard živčnih celic, pa poglejte, kaj vse znamo iz njih iztisniti danes, kaj pa so znali pred 30.000 leti. Enako bo z računalniškimi komponentami – kljub istemu številu bo izkoristek v prihodnosti neprimerno boljši.«



In pri takšnem razmišljanju ni osamljen. Morda je Moorov zakon v zadnjih zdihljajih, kar zadeva hitrost dodajanja novih komponent na vezje, a to ne pomeni, da tudi zmogljivosti. Pravila na računalniškem trgu se namreč spreminjajo, dodaja se vedno več senzorjev, s pomočjo katerih se bodo pridobivale izjemne količine podatkov. A ne le podatki, tudi vedno večji delež njihove obdelave se ne bo nujno odvijal lokalno na vsaki domači napravi, pač pa v oblaku, torej v podatkovnih centrih, kjer bodo superzmogljivi računalniki, pri katerih velikost in teža ne bosta ovira. Pri tem bo pomagal še prihod omrežja 5G, preko katerega se bodo podatki pretakali precej hitreje, kar bo olajšalo prehod na sistem, po katerem se bodo mnoge operacije odvijale v oblaku.
 

Gremo v višino?

Morda pa bomo čez desetletja začudeno ugotavljali, da smo tako kot v preteklosti tudi tokrat prezgodaj razglasili smrt Moorovega zakona. Že nekaj časa namreč obstajajo tudi poskusi, ki bi omogočili nadaljnje večanje števila elementov na silicijevi rezini. Te so zdaj videti kot dvodimenzionalni prostor, s kopico elementov z medsebojnimi povezavami na rezini. Kaj pa, če bi to postal tridimenzionalni prostor in bi elemente nalagali še drug na drugega? Če se to morda zdi logična in povsem enostavna rešitev, v resnici sicer ni čisto tako. Kajti pri tako majhnih elementih je povezovanje v več kot dveh dimenzijah precej bolj kompleksno in odpira vrsto novih izzivov. Kljub temu da je na trgu že nekaj izdelkov s 3D čipi, pa za splošno uporabo ni videti, da bi lahko v bližnji prihodnosti predstavljali preboj, ki nadomestil trenutno klasične čipe. A dejstvo je, da se Moorov zakon izkazal za precej bolj trdoživega, kot bi kdorkoli verjel, celo sam Gordon Moore je bil presenečen. Morda pa presenečenj še ni konec …