Was ist das Mooresche Gesetz und warum sagen die Leute, es sei tot?

Gordon Moore, der Mitbegründer von Intel, ist der Mann, der für Moores Gesetz verantwortlich ist. Moore hat beobachtet, dass sich die Transistordichte integrierter Schaltkreise alle zwei Jahre verdoppelt. Einige sagen, dass Moores Gesetz jetzt tot ist, aber warum?

Was Moores Gesetz sagt

Gordon Moore machte 1965 seine ursprüngliche Beobachtung:

„Die Komplexität für minimale Komponentenkosten hat sich etwa um den Faktor zwei pro Jahr erhöht. Kurzfristig ist davon auszugehen, dass diese Rate anhalten, wenn nicht sogar steigen wird. Längerfristig ist die Steigerungsrate etwas unsicherer, obwohl es keinen Grund zu der Annahme gibt, dass sie nicht mindestens 10 Jahre lang annähernd konstant bleiben wird.“ – Gordon Moore in Mehr Komponenten auf integrierte Schaltkreise stopfen.

Dies kann auf verschiedene Weise interpretiert werden, impliziert jedoch zwei Dinge. Erstens verdoppelte sich (damals) die einfachste integrierte Schaltung (IC) jedes Jahr in der Transistordichte. Zweitens, dass dies auch auf der niedrigsten Kostenebene zutreffen würde. Wenn also die Kosten für die Herstellung eines ICs einer bestimmten Größe im Laufe der Zeit stabil bleiben (unter Berücksichtigung der Inflation), würde dies effektiv bedeuten, dass sich die Kosten pro Transistor alle zwei Jahre halbieren würden.

Dies ist ein verblüffendes exponentielles Wachstum, das durch das „Weizen- und Schachbrettproblem“ demonstriert wird, bei dem Sie, wenn Sie ein Weizenkorn (oder Reis) auf das erste Feld legen und dann die Menge für jedes nachfolgende Feld verdoppeln, alles gut machen würden über 18 Quintillionen Körner bei Quadrat 64!

Moore revidierte später seine Beobachtung, um die Zeit auf einmal alle achtzehn Monate und schließlich einmal alle zwei Jahre zu verlängern. Während sich die Transistordichte also immer noch verdoppelt, scheint sich das Tempo zu verlangsamen.

Es ist eigentlich kein Gesetz

Obwohl es Moores „Gesetz“ genannt wird, ist es kein Gesetz im eigentlichen Sinne des Wortes. Mit anderen Worten, es ist nicht wie ein Naturgesetz, das beschreibt, wie Dinge wie die Schwerkraft funktionieren. Es ist eine Beobachtung und Projektion historischer Trends in die Zukunft.

Im Durchschnitt hat sich das Mooresche Gesetz seit 1965 gehalten, und in gewisser Weise ist es ein Maßstab für die Halbleiterindustrie, um ungefähr zu sagen, ob es auf dem richtigen Weg ist, aber es gibt keinen Grund, warum es wahr sein muss oder auf unbestimmte Zeit wahr bleiben sollte.

Leistung ist mehr als Transistordichte

Der Transistor ist die grundlegende Komponente eines Halbleiterbauelements, wie z. B. einer CPU. Aus Transistoren werden Geräte wie Logikgatter gebaut, die eine strukturierte Verarbeitung von Daten im Binärcode ermöglichen.

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Wenn Sie die Anzahl der Transistoren verdoppeln, die Sie in eine bestimmte Menge Platz einbauen können, verdoppeln Sie theoretisch die Menge an Verarbeitung, die stattfinden kann. Es zählt jedoch nicht nur, wie viele Transistoren Sie haben, sondern was Sie damit machen. Mikroprozessoren haben viele Effizienzfortschritte erfahren, mit spezialisierten Designs zur Beschleunigung bestimmter Arten der Verarbeitung, wie z. B. das Decodieren von Videos oder das Durchführen der für maschinelles Lernen erforderlichen speziellen Mathematik.

Das Verkleinern von Transistoren bedeutet im Allgemeinen auch, höhere Betriebsfrequenzen zu erreichen, während weniger Strom für die gleiche Menge an Verarbeitungsleistung einer vorherigen Generation verbraucht wird. Das Mooresche Gesetz ist auf die Transistordichte beschränkt, aber die Beziehung zwischen Transistordichte und Leistung ist nicht linear.

Was meinst du mit "es ist tot"?

Im Laufe der Jahre wurde mehrmals der Satz „Moore's Law is dead“ geäußert, und ob das stimmt, hängt von Ihrer Perspektive ab. Die Transistordichten verdoppeln sich immer noch, aber in einem langsameren Tempo, da Moore den Zeitrahmen jetzt mehrmals revidiert hat.

Der Grund, warum einige behaupten, dass das Gesetz tot ist, ist nicht, dass sich die Transistordichte nicht immer noch verdoppelt, sondern dass sich die Kosten für Transistoren nicht halbieren. Mit anderen Worten, Sie können nach einem Verdopplungszyklus nicht mehr die doppelte Anzahl von Transistoren für das gleiche Geld bekommen.

Ein wichtiger Grund dafür ist, dass wir uns den Grenzen dessen nähern, wie klein wir Transistoren herstellen können. Zum Zeitpunkt des Verfassens dieses Artikels sind 5-nm- und 3-nm-Fertigungsverfahren die aktuelle und nächste Technologiegeneration. Während wir uns der ultimativen Grenze des Machbaren nähern, werden sowohl die Anzahl der Probleme als auch die Kosten für deren Überwindung wahrscheinlich zunehmen.

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Nur weil sich der Preis von Transistoren möglicherweise nicht mehr halbiert wie früher, bedeutet dies jedoch nicht, dass sich die Leistung nicht verdoppelt oder halbiert. Denken Sie daran, dass die Anzahl der Transistoren nur ein Teil der Leistung ist. Wir erreichen höhere Taktraten, passen mehr Kerne in eine einzelne Prozessoreinheit, machen mehr mit unseren Transistoren und entwickeln neuartiges Silizium, das bestimmte Aufgaben wie maschinelles Lernen beschleunigen kann. In diesem erweiterten Sinne hat das Mooresche Gesetz immer noch Leben, aber in seiner ursprünglichen Form ist es lebenserhaltend.

Moores Gesetz muss irgendwann sterben

Niemand hat jemals geglaubt, dass Moores Beobachtung über Transistordichte und -kosten für immer gelten würde. Schließlich würde die Exponentialkurve schließlich in Richtung unendlicher Transistordichte und Rechenleistung tendieren. Soweit bekannt, ist das eigentlich nicht möglich, und es ist insbesondere unwahrscheinlich, dass dies mit der Halbleiterelektronik, wie wir sie heute kennen, möglich ist.

Schon jetzt gibt es zahlreiche Herausforderungen, wenn die winzigen Bauteile in modernen Prozessoren mit unerwünschten Quanteneffekten zu kämpfen haben. Irgendwann können Sie keine Elektronen mehr in Ihren winzigen Schaltkreisen halten, also stößt der Versuch, die Dinge kleiner zu machen, an eine Mauer.

An diesem Punkt ist es möglicherweise an der Zeit, auf eine andere Art von Computersubstrat umzusteigen, z. B. Photonik, aber es gibt wahrscheinlich unzählige Möglichkeiten, mehr Leistung aus Halbleitern herauszuholen, ohne dass Transistoren kleiner gemacht werden müssen.

Wir sehen bereits kostengünstige Möglichkeiten, große Prozessoren aus mehreren kleineren Prozessoren zu bauen, wie AMDs Chiplet-Designs oder Apples Strategie, ihre Basischips zusammenzukleben, um Mega-CPUs herzustellen, die so funktionieren, als wären sie ein System. Die Idee, CPUs mit 3D-Schaltkreisen zu bauen, mit Schichten von Mikrochipkomponenten, die vertikal und horizontal kommunizieren, hat Potenzial.

Während die ultimative Grenze der Transistordichte jeden Tag näher zu rücken scheint, ist die wahre Grenze der erreichbaren Rechenleistung noch immer eine offene Frage.

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