Moores Gesetz

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A Semi-Log-Grundstück von Transistor zählt zum Mikroprozessoren Gegen Termine der Einführung, die sich fast alle zwei Jahre verdoppelt.

Moores Gesetz ist die Beobachtung, dass die Nummer von Transistoren in einer dichten Integrierter Schaltkreis (IC) verdoppelt sich etwa alle zwei Jahre. Moores Gesetz ist ein Überwachung und Projektion eines historischen Trends. Eher als ein Gesetz der Physik, es ist ein empirische Beziehung verbunden mit Gewinne aus Erfahrung in Produktion.

Die Beobachtung ist nach benannt Gordon Mooreder Mitbegründer von Fairchild Semiconductor und Intel (und ehemaliger CEO von Letzterer), der 1965 a stellte jedes Jahr verdoppeln in der Anzahl der Komponenten pro integriertes Schaltkreis,[a] Und projizierte diese Wachstumsrate würde mindestens ein weiteres Jahrzehnt andauern. 1975 überarbeitete er sich auf das nächste Jahrzehnt und überarbeitete die Prognose, alle zwei Jahre zu verdoppeln, a jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 41%. Während Moore keine empirischen Beweise für die Prognose verwendete, dass der historische Trend fortgesetzt wird, wurde seine Vorhersage seit 1975 als "Gesetz" bekannt.

Moores Vorhersage wurde in der verwendet Halbleiterindustrie Langzeitplanung zu leiten und Ziele für festzulegen Forschung und Entwicklungso funktioniert in gewissem Maße als sich selbst erfüllende Prophezeiung. Fortschritte in Digitale Elektronik, wie die Reduzierung in Qualitätsbereinigte Mikroprozessor Preise, die Erhöhung der Erhöhung Speicherkapazität (RAM und Blitz), die Verbesserung von Sensorenund sogar die Anzahl und Größe von Pixel in Digitalkameras, sind stark mit dem Gesetz von Moore verbunden. Diese fortlaufenden Veränderungen in der digitalen Elektronik waren eine technische und soziale Veränderung, Produktivität, und Wirtschaftswachstum.

Branchenexperten haben keinen Konsens darüber erzielt, wann das Gesetz von Moore nicht mehr beantragt wird. Mikroprozessorarchitekten berichten, dass der Fortschritt der Halbleiter seit ungefähr 2010 die branchenweite, etwas unter dem durch Mooreschen Gesetz vorhergesagten Tempo verlangsamt hat.

Geschichte

profile photograph of Gordon Moore
Gordon Moore in 2004

Im Jahr 1959, Douglas Engelbart studierte die projizierte Abwärtsbekämpfung von Integrierter Schaltkreis (IC) Größe, Veröffentlichung seiner Ergebnisse in dem Artikel "Mikroelektronik und Kunst der Ähnlichkeit".[2][3][4] Engelbart präsentierte seine Ergebnisse bei der 1960 Internationale Konferenz für Festkörperschaltungen, wo Moore im Publikum anwesend war.[5]

Das selbe Jahr, Mohamed Atalla und Dawon Kahng erfand die Mosfet (Metalle-Oxid-Semiconductor-Feldeffekttransistor), auch als MOS-Transistor bekannt, bei Bell Labs.[6] Das MOSFET war der erste wirklich kompakte Transistor Das könnte miniaturisiert und für eine Vielzahl von Verwendungsmöglichkeiten massenproduziert werden,[7] mit hohe Skalierbarkeit[8] und tief Energieverbrauch was zu einem höheren führt Transistordichte[9] und es ermöglicht, bauen zu lassen IC-Chips mit hoher Dichte.[10] In den frühen 1960er Jahren, Gordon E. Moore erkannte, dass die idealen elektrischen und skalierenden Eigenschaften von MOSFET -Geräten zu einem rasanten Integrationsniveau und zu einem beispiellosen Wachstum in führen würden elektronisch Anwendungen.[11]

1965 war Gordon Moore, der zu dieser Zeit als Direktor für Forschung und Entwicklung arbeitete Fairchild Semiconductor, wurde gebeten, zum fünfunddreißigsten Jubiläumsausgabe von beitragen Elektronik Magazin mit einer Vorhersage der Zukunft der Halbleiterkomponentenbranche in den nächsten zehn Jahren. Seine Antwort war ein kurzer Artikel mit dem Titel "Sprudeln mehr Komponenten auf integrierte Schaltkreise".[1][12][b] In seinem Leitartikel spekulierte er, dass es bis 1975 möglich wäre, 65.000 Komponenten in einem einzelnen Quadrat-Zoll-Halbleiter zu enthalten.

Die Komplexität für die Kosten für die Mindestkomponenten hat mit einem Faktor von zwei pro Jahr mit einer Rate von ungefähr einem Faktor gestiegen. Sicherlich ist zu erwarten, dass diese Rate fortgesetzt wird, wenn nicht. Langfristig ist die Erhöhungsrate etwas ungewiss, obwohl es keinen Grund zu der Annahme gibt, dass sie mindestens 10 Jahre lang nicht annähernd konstant bleiben wird.[1]

Moore stellte eine logarithmisch-lineare Beziehung zwischen der Komplexität der Geräte (höherer Schaltungsdichte zu verringerten Kosten) und der Zeit auf.[15][16] In einem Interview aus dem Jahr 2015 stellte Moore aus dem Artikel von 1965 fest: "... Ich habe gerade eine wilde Extrapolation durchgeführt, in der ich sagte, dass es sich in den nächsten 10 Jahren weiterhin jedes Jahr verdoppeln wird."[17] Ein Gesetzhistoriker zitiert Stiglers Gesetz der gleichnamigenUm die Tatsache einzuführen, dass die regelmäßige Verdoppelung der Komponenten vielen auf diesem Gebiet bekannt war.[16]

1974,, Robert H. Dennard bei IBM erkannte die schnelle MOSFET -Skalierungstechnologie und formulierte, was bekannt wurde als Dennard Scaling, was beschreibt, dass wenn MOS -Transistoren kleiner werden, ihre Leistungsdichte bleibt konstant, so dass der Stromverbrauch im Verhältnis zur Fläche bleibt.[18][19] MOSFET -Skalierung und Miniaturisierung waren die wichtigsten treibenden Kräfte hinter Mooreschen Gesetz.[20] Beweise aus der Halbleiterindustrie zeigen, dass diese inverse Beziehung zwischen Machtdichte und Flächendichte Mitte der 2000er Jahre zusammenbrach.[21]

Bei der 1975 IEEE International Electron Devices Meeting, Moore überarbeitete seinen Prognosesatz,[22][23] Die Vorhersage der Komplexität der Halbleiter würde sich bis etwa 1980 jährlich verdoppeln. Danach würde sie etwa alle zwei Jahre auf eine Verdoppelungsrate abnehmen.[23][24][25] Er skizzierte mehrere Faktoren für dieses exponentielle Verhalten:[15][16]

  • Das Aufkommen von Metal -Oxid -Jemonductor (MOS) Technologie
  • Die exponentielle Erhöhung der Größen in der Steigerung der Defektivdichten, so dass die Hersteller von Halbleitern mit größeren Bereichen arbeiten könnten, ohne die Reduktionsrenditen zu verlieren
  • Feinere Mindestabmessungen
  • Was Moore "Schaltung und Geräte Cleverness" nannte

Kurz nach 1975, Caltech Professor Carver Met populär den Begriff "Moore's Law".[26][27] Das Gesetz von Moore wurde schließlich als Ziel für die Halbleiterindustrie anerkannt und wurde von wettbewerbsfähigen Halbleiterherstellern zitiert, um die Verarbeitungsleistung zu erhöhen. Moore betrachtete sein gleichnamiges Gesetz als überraschend und optimistisch: "Moores Gesetz ist ein Verstoß gegen Murphys Gesetz. Alles wird immer besser. "[28] Die Beobachtung wurde sogar als als gesehen sich selbst erfüllende Prophezeiung.[29][30]

Die Verdoppelungszeit wird aufgrund einer Vorhersage von Moores Kollege Intel Executive David House oft als 18 Monate falsch zitiert. Im Jahr 1975 stellte House fest, dass Moores überarbeitete Gesetz zur Verdoppelung des Transistors alle 2 Jahre wiederum implizierte, dass die Leistung der Computerchips alle 18 Monate ungefähr verdoppeln würde[31] (ohne Zunahme des Stromverbrauchs).[32] Das Gesetz von Moore ist eng mit der MOSFET -Skalierung verbunden,[20] als schnelle Skalierung und Miniaturisierung von MOSFETs[8][33] ist die wichtigste treibende Kraft hinter Moore's Law.[20][9] Mathematisch prognostizierte das Gesetz von Moore, dass die Anzahl der Transistoren alle 2 Jahre aufgrund schrumpfender Transistordimensionen und anderer Verbesserungen verdoppeln würde. Infolge der schrumpfenden Abmessungen prognostizierte Dennard Skaling, dass der Stromverbrauch pro Fläche der Einheiten konstant bleiben würde. Das Kombinieren dieser Effekte leitete David House, dass die Leistung von Computerchips alle 18 Monate ungefähr verdoppeln würde. Auch aufgrund der Skalierung von Dennard würde diese erhöhte Leistung nicht von erhöhter Leistung begleitet, d. H. Die Energieeffizienz von Silizium-Basierte Computerchips doppelt etwa alle 18 Monate. Dennard Scaling endete in den 2000er Jahren.[21] Koomey zeigte später, dass eine ähnliche Rate der Effizienzverbesserung vor Siliziumchips und dem Mooreschen Gesetz für Technologien wie Vakuumröhrchen.

Large early portable computer next to a modern smartphone
Ein Osborne Executive tragbarer Computer ab 1982 mit a Zilog Z80 4 MHz CPU und ein 2007 Apfel iPhone mit einem 412 MHz ARM11 ZENTRALPROZESSOR; Die Exekutive hat das 100 -fache des Gewichts, fast das 500 -fache des Volumens, das 10 -fache der inflationsbereinigten Kosten und 1/103. die Taktfrequenz des Smartphone.

Mikroprozessorarchitekten berichten, dass der Semiconductor Advancement seit rund 2010 die branchenweit unter dem vom Mooreschen Gesetz vorhergesagten Tempo verlangsamt hat.[21] Brian KrzanichDer ehemalige CEO von Intel zitierte Moores Überarbeitung von 1975 als Präzedenzfall für die derzeitige Verzögerung, die sich aus technischen Herausforderungen ergibt und "ein natürlicher Teil der Geschichte des Moores Gesetz" ist.[34][35][36] Die Verbesserungsrate der als Dennard Scaling bekannten physikalischen Dimensionen endete auch Mitte der 2000er Jahre. Infolgedessen hat sich ein Großteil der Halbleiterindustrie eher auf die Bedürfnisse der wichtigsten Computeranwendungen als auf die Skalierung von Halbleiter verlagert.[29][37][21] Trotzdem führende Halbleiterhersteller TSMC und Samsung Electronics habe behauptet, mit dem Gesetz von Moore Schritt zu halten[38][39][40][41][42][43] mit 10 nm und 7 nm Knoten in der Massenproduktion[38][39] und 5 nm Knoten in der Risikoproduktion ab 2019.[44][45]

Moores zweites Gesetz

Weitere Informationen: Moores zweites Gesetz

Als die Kosten der Computerkraft für die Verbraucher Falls, die Kosten für die Hersteller, um das Gesetz von Moore zu erfüllen, folgen einem entgegengesetzten Trend: F & E, Fertigung und Testkosten haben mit jeder neuen Generation von Chips stetig zugenommen. Steigende Produktionskosten sind eine wichtige Überlegung für die Aufrechterhaltung des Mooreschen Gesetzes.[46] Dies führte zur Formulierung von Moores zweites Gesetz, auch Rock's Law genannt, das ist das, was das ist Hauptstadt Kosten von a Halbleiter Fab Erhöht sich im Laufe der Zeit auch exponentiell.[47][48]

Hauptfaktoren

Siehe auch: Liste der Beispiele der Halbleiterskala und Transistorzahl
A semi-log plot of NAND flash design rule dimensions in nanometers against dates of introduction. The downward linear regression indicates an exponential decrease in feature dimensions over time.
Der Trend von MOSFET -Skalierung zum Nand Flash Speicher erlaubt die Verdoppelung von schwimmend-gate MOSFET Komponenten, die in weniger als 18 Monaten im gleichen Waferbereich hergestellt werden.

Zahlreiche Innovationen von Wissenschaftlern und Ingenieuren haben das Moores Gesetz seit Beginn der IC -Ära aufrechterhalten. Einige der wichtigsten Innovationen sind unten aufgeführt, als Beispiele für Durchbrüche, die einen fortgeschrittenen integrierten Schaltkreis haben und Herstellung von Halbleitervorrichtungen Technologie, zulässt Transistor zählt in weniger als fünf Jahrzehnten um mehr als sieben Größenordnungen wachsen.

Die im Jahr 2001 prognostizierten Computer der Computer Industry Technology Road Road Maps, dass Moore's Law über mehrere Generationen von Halbleiterchips fortgesetzt wird.[76]

Jüngste Trends

animated plot showing electron density and current as gate voltage varies
Eine Simulation der Elektronendichte als Gate -Spannung (VG) variiert in a Nanodraht Mosfet. Die Schwellenspannung beträgt etwa 0,45 V. Nanodraht -MOSFETs liegen gegen Ende der ITRS -Roadmap für Skalierungsgeräte unter 10 nm -Torlängen.

Eine der wichtigsten Herausforderungen der technischen Zukunft Nanoskala Transistoren sind das Design von Toren. Wenn die Abmessung der Geräte schrumpft, wird die Steuerung des Stromflusses im dünnen Kanal schwieriger. Moderne nanoskalige Transistoren haben typischerweise die Form von Multi-Gate-MOSFETs, mit dem Flossen Der häufigste nanoskalige Transistor. Das FinFET hat Gate -Dielektrikum auf drei Seiten des Kanals. Im Vergleich dazu Gate-All-Around MOSFET (Gaafet) Struktur hat noch bessere Torkontrolle.

  • A Gate-All-Around MOSFET (Gaafet) wurde erstmals 1988 von a Toshiba Forschungsteam angeführt von Fujio Masuoka, der einen vertikalen Nanodrahtgaafet demonstrierte, den er als "umgebenden Tortransistor" (Sgt) bezeichnete.[77][78] Masuoka, bekannt als Erfinder von Flash-Speicherspäter verließ Toshiba und gründete 2004 Unisantis Electronics, um zusammen mit der Technologie der Umgebung zu recherchieren Universität Tohoku.[79]
  • Im Jahr 2006 ein Team koreanischer Forscher aus der Korea Advanced Institute of Science and Technology (Kaist) und das National Nano Fab Center entwickelten a 3 nm Transistor, der kleinste der Welt nanoelektronisch Gerät zum Zeitpunkt basierend auf der FinFET -Technologie.[80][81]
  • Im Jahr 2010 kündigten Forscher des Tyndall National Institute in Cork, Irland, einen Junctionlosen -Transistor an. Ein Kontrolltor, das um einen Silizium -Nanodraht gewickelt ist, kann den Durchgang von Elektronen ohne Verwendung von Verbindungen oder Doping steuern. Sie behaupten, diese könnten unter Verwendung vorhandener Herstellungstechniken im Skala von 10 Nanometern hergestellt werden.[82]
  • Im Jahr 2011 kündigten Forscher der University of Pittsburgh die Entwicklung eines Ein-Elektronen-Transistors mit 1,5 Nanometern im Durchmesser an, der aus Materialien auf Oxidbasis hergestellt wurde. Drei "Drähte" konvergieren auf einer zentralen "Insel", auf der ein oder zwei Elektronen untergebracht werden können. Elektronentunnel von einem Draht zum anderen durch die Insel. Die Bedingungen auf dem dritten Draht führen zu unterschiedlichen leitenden Eigenschaften, einschließlich der Fähigkeit des Transistors, als Festkörpergedächtnis zu fungieren.[83] Nanodrahttransistoren könnten die Erzeugung mikroskopischer Computer anregen.[84][85][86]
  • Im Jahr 2012 ein Forschungsteam am Universität von New South Wales kündigte die Entwicklung des ersten funktionierenden Transistors an, das aus einem einzigen Atom genau in einem Siliziumkristall besteht (nicht nur aus einer großen Stichprobe von zufälligen Transistoren ausgewählt).[87] Das Gesetz von Moore prognostizierte voraus, dass dieser Meilenstein bis 2020 für ICs im Labor erreicht werden soll.
  • Im Jahr 2015 demonstrierte IBM 7 nm Knotenchips mit Silizium-Germanium Transistoren, die verwendet werden Euvl. Das Unternehmen glaubt, dass diese Transistordichte viermal so hoch sein würde, 14 nm Chips.[88]
  • Samsung und TSMC planen zur Herstellung 3 NM Gaafet -Knoten bis 2021–2022.[89][90] Beachten Sie, dass Knotennamen wie 3 NM, haben keinen Zusammenhang mit der physischen Größe von Geräteelementen (Transistoren).
  • A Toshiba Forschungsteam, einschließlich T. Imoto, M. Matsui und C. Takubo Dreidimensionale integrierte Schaltung (3D IC) Pakete im Jahr 2001.[91][92] Im April 2007 stellte Toshiba einen achtschicht 3D IC vor, den 16 Gb Thgam eingebettet Nand Flash Speicherchip, der mit acht gestapelten 2 hergestellt wurde GB Nand Flash Chips.[93] Im September 2007, Hynix Einführung von 24-Layer 3D IC, a 16 GB -Flash -Speicherchip, der mit 24 gestapelten NAND -Flash -Chips mit einem Wafer -Bindungsprozess hergestellt wurde.[94]
  • V-NANDAuch als 3D -NAND bezeichnet, ermöglicht es Flash -Speicherzellen, vertikal zu stapeln Fallenblitz aufladen Die Technologie, die ursprünglich von John Szedon im Jahr 1967 präsentiert wurde und die Anzahl der Transistoren eines Flash -Speichers erheblich erhöht. 3D NAND wurde 2007 erstmals von Toshiba angekündigt.[95] V-NAND wurde zuerst kommerziell hergestellt von Samsung Electronics im Jahr 2013.[96][97][98]
  • Im Jahr 2008 kündigten Forscher von HP Labs eine Arbeit an Memristor, ein viertes grundlegendes passives Schaltungselement, dessen Existenz nur zuvor theoretisiert worden war. Die einzigartigen Eigenschaften des Memristors ermöglichen die Schaffung kleinerer und leistungsfähiger elektronischer Geräte.[99]
  • Im Jahr 2014 Bioengineer bei Universität in Stanford entwickelte eine Schaltung, die am menschlichen Gehirn modelliert war. 16 "Neurocore" -Pips Simulieren Sie eine Million Neuronen und Milliarden synaptischer Verbindungen, behauptet, 9.000 -mal schneller und energieeffizienter als ein typischer PC.[100]
  • 2015 Intel und Mikron angekündigt 3d xpoint, a Nichtflüchtiger Gedächtnis behauptet, mit ähnlicher Dichte im Vergleich zu NAND signifikant schneller zu sein. Die Produktion im Jahr 2016 wurde bis zum zweiten Halbjahr 2017 verzögert.[101][102][103]
  • Im Jahr 2017 kombinierte Samsung seine V-NAND-Technologie mit EUFs 3D -IC -Stapel zur Herstellung eines 512 GB Flash-Speicherchip mit acht gestapelten 64-Schicht-V-NAND-Stanze.[104] Im Jahr 2019 produzierte Samsung eine 1 TB Flash-Chip mit acht gestapelten 96-Schicht-V-NAND-Sterben zusammen mit Quad-Level-Zelle (QLC) -Technologie (4-Bit pro Transistor),[105][106] Äquivalent zu 2 Billionen Transistoren, die höchsten Transistorzahl von jedem IC -Chip.
  • Im Jahr 2020, Samsung Electronics Pläne, die zu produzieren 5 nm Knoten mit Finfet und EUV Technologie.[39][Benötigt Update]
  • Im Mai 2021 kündigt IBM die Erstellung des ersten an 2 nm Computerchip mit Teilen, die angeblich kleiner als menschlicher DNA sind.[107]

Mikroprozessorarchitekten berichten, dass der Fortschritt der Halbleiter seit rund 2010 die branchenweite, unter dem vom Mooreschen Gesetz vorhergesagten Tempo verlangsamt hat.[21] Brian Krzanich, der ehemalige CEO von Intel, kündigte an: "Unsere Kadenz ist heute näher an zweieinhalb Jahren als zwei."[108] Intel erklärte 2015, dass sich die Verbesserungen der MOSFET -Geräte verlangsamt haben, beginnend bei der 22 nm Merkmal breit um 2012 und fortgesetzt werden 14 nm.[109]

Die physischen Grenzen für die Skalierung des Transistors wurden aufgrund von Quellen-Drain-Leckage, begrenzten Gate-Metallen und begrenzten Optionen für Kanalmaterial erreicht. Andere Ansätze werden untersucht, die nicht auf physischer Skalierung beruhen. Dazu gehören der Spinzustand von Elektronen Spintronik, Tunnelverbindungenund fortgeschrittene Einschränkung von Kanalmaterialien über die Nano-Wire-Geometrie.[110] Spin-basierte Logik- und Speicheroptionen werden in Labors aktiv entwickelt.[111][112]

Alternative Materialforschung

Die überwiegende Mehrheit der derzeitigen Transistoren zu ICs besteht hauptsächlich aus dotiert Silizium und seine Legierungen. Als Silizium wird zu einzelnen Nanometertransistoren hergestellt, Kurzkanaleffekte Verändern Sie die gewünschten Materialeigenschaften von Silizium negativ als funktionaler Transistor. Im Folgenden finden Sie mehrere Nicht-Silizium-Substitute bei der Herstellung kleiner Nanometer-Transistoren.

Ein vorgeschlagenes Material ist Indiumgalliumarsenid, oder Ingaas. Im Vergleich zu ihren Kollegen aus Silizium und Germanium sind die InGAAS-Transistoren für zukünftige Hochgeschwindigkeits-Logikanwendungen mit geringer Leistung mehr vielversprechend. Wegen intrinsischer Eigenschaften von III-V-Verbindungs ​​Halbleiter, Quanten gut und Tunnel Effekt -Transistoren, die auf InGaAs basieren, wurden als Alternativen zu traditionelleren MOSFET -Designs vorgeschlagen.

  • In den frühen 2000er Jahren die Atomschichtabscheidung hoch-κ Film und Tonhöhe Doppelpatcher Prozesse wurden von erfunden von Gurtej Singh Sandhu bei Mikron -TechnologieErweiterung des Mooreschen Gesetzes für die planare CMOS -Technologie auf 30 nm Klasse und kleiner.
  • Im Jahr 2009 kündigte Intel die Entwicklung von 80-Nanometer-Ingaas an Quanten gut Transistoren. Quantenbrunnen -Geräte enthalten ein Material, das zwischen zwei Materialien mit einer breiteren Bandlücke eingeklemmt ist. Obwohl das Unternehmen doppelt so groß ist, dass es sich um reine Siliziumtransistoren handelte, berichtete das Unternehmen, dass es ebenso gut funktioniert und gleichzeitig weniger Strom verbraucht hatte.[113]
  • Im Jahr 2011 zeigten Forscher von Intel 3D Tri-Gate IngaaS -Transistoren mit verbesserten Leckageneigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen planaren Designs. Das Unternehmen behauptet, dass sein Design die beste Elektrostatik eines III-V-Verbindungs-Halbleitertransistors erreicht hat.[114] Bei der 2015 Internationale Konferenz für Festkörperschaltungen, Intel erwähnte die Verwendung von III-V-Verbindungen, die auf einer solchen Architektur für ihren 7 Nanometerknoten basieren.[115][116]
  • Im Jahr 2011 Forscher am Universität von Texas in Austin entwickelte einen InGaaS-Tunnel-Feld-Effekt-Transistoren, der höhere Betriebsströme als frühere Konstruktionen in der Lage ist. Die ersten III-V-TFET-Designs wurden 2009 von einem gemeinsamen Team von demonstriert Cornell Universität und Pennsylvania Staatsuniversität.[117][118]
  • Im Jahr 2012 entwickelte ein Team in Microsystems Technology Laboratories von MIT einen 22-nm-Transistor, der auf Ingaas basiert und der zu dieser Zeit der kleinste Non-Silicon-Transistor war, der jemals gebaut wurde. Das Team verwendete Techniken, die derzeit bei der Herstellung von Siliziumgeräten verwendet werden, und zielt auf eine bessere elektrische Leistung und eine Verringerung der Verringerung zu 10-Nanometer Skala.[119]

Biologisches Computer Untersuchungen zeigen, dass biologisches Material im Vergleich zu Siliziumbasis-Computing überlegene Informationsdichte und Energieeffizienz aufweist.[120]

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Scan -Sonde -Mikroskopie Bild von Graphen in seiner hexagonalen Gitterstruktur

Verschiedene Formen von Graphen werden für studiert Graphenelektronik, z.B. Graphen -Nanoribbon Transistoren haben seit seinem Auftritt in Veröffentlichungen im Jahr 2008 vielversprechend. (Bulk Graphen hat a Bandabstand von Null und kann daher nicht bei Transistoren verwendet werden, da seine konstante Leitfähigkeit nicht ausgeschaltet wird. Die Zick -Zack -Kanten der Nanoribbons führen lokalisierte Energiezustände in den Leitungs- und Valenzbändern und damit eine Bandlücke ein, die es ermöglicht, wenn sie als Transistor hergestellt werden. Beispielsweise hat ein typisches GnR von 10 nm eine wünschenswerte Bandgap -Energie von 0,4ev.[121][122]) Es müssen jedoch weitere Untersuchungen durchgeführt werden, die in Sub 50 nm Graphenschichten, wenn der Widerstandswert steigt und somit die Elektronenmobilität abnimmt.[121]

Prognosen und Roadmaps

Im April 2005, Gordon Moore In einem Interview erklärt, dass die Projektion nicht auf unbestimmte Zeit aufrechterhalten werden kann: "Es kann nicht für immer fortgesetzt werden. Die Natur der Exponentials ist, dass Sie sie herausschieben und schließlich eine Katastrophe geschieht." Er merkte auch an, dass Transistoren schließlich die Grenzen der Miniaturisierung bei erreichen würden Atomic Ebenen:

In Bezug auf die Größe [der Transistoren] können Sie sehen, dass wir uns der Größe von Atomen nähern, was eine grundlegende Barriere ist, aber es werden zwei oder drei Generationen sein, bevor wir so weit kommen - aber das ist so weit wie wir draußen. jemals in der Lage zu sehen. Wir haben weitere 10 bis 20 Jahre, bevor wir eine grundlegende Grenze erreichen. Bis dahin können sie größere Chips erstellen und Transistorbudgets in den Milliarden haben.[123]

2016 the Internationale Technologie -Roadmap für HalbleiterNachdem er das Moore -Gesetz verwendet hatte, um die Branche seit 1998 zu fahren, produzierte er seine endgültige Roadmap. Es zentrierte seinen Forschungs- und Entwicklungsplan nicht mehr auf das Gesetz von Moore. Stattdessen wurde beschrieben, was als mehr als Moore -Strategie bezeichnet werden könnte, bei der die Bedürfnisse der Anwendungen die Chip -Entwicklung fördern, und nicht auf die Skalierung der Halbleiter. Anwendungsfahrer reichen von Smartphones über KI bis zu Rechenzentren.[124]

IEEE begann 2016 eine Road-Mapping Internationale Roadmap für Geräte und Systeme (IRDS).[125]

Die meisten Prognostiker, darunter Gordon Moore,[126] Erwarten Sie, dass das Gesetz von Moore um 2025 endet.[127][124][128] Obwohl das Gesetz von Moore eine physische Einschränkung erreichen wird, sind einige Prognostiker optimistisch in Bezug auf die Fortsetzung des technologischen Fortschritts in einer Vielzahl anderer Bereiche, einschließlich neuer Chiparchitekturen, Quantum Computing und KI und maschinelles Lernen.[129][130]

Konsequenzen

Digitale Elektronik haben zur Welt beigetragen Wirtschaftswachstum Ende des 20. und frühen einundzwanzigsten Jahrhunderte.[131] Die primäre treibende Kraft des Wirtschaftswachstums ist das Wachstum von Produktivität,[132] und Moore's Law Faktoren in Produktivität. Moore (1995) erwartete, dass "die Rate des technologischen Fortschritts von finanziellen Realitäten kontrolliert wird".[133] Das Gegenteil könnte und tat um die späten 1990er Jahre, und Ökonomen berichteten, dass "das Produktivitätswachstum der wichtigste wirtschaftliche Indikator für Innovation ist".[134] Das Gesetz von Moore beschreibt eine technische und soziale Veränderung, Produktivität und Wirtschaftswachstum.[135][136][132]

Eine Beschleunigung der Rate des Halbleiterfortschritts trug zu einem Anstieg des Produktivitätswachstums der USA bei,[137][138][139] Dies erreichte 1997–2004 3,4% pro Jahr und übertraf die 1,6% pro Jahr sowohl 1972–1996 als auch 2005–2013.[140] Wie der Ökonom Richard G. Anderson bemerkt, "haben zahlreiche Studien die Ursache der Produktivitätsbeschleunigung auf technologische Innovationen bei der Herstellung von Halbleitern verfolgt, die die Preise solcher Komponenten und der Produkte, die sie enthalten Solche Produkte). "[141]

Die primäre negative Implikation des Moores Gesetz ist das Veralten drängt die Gesellschaft gegen die Wachstumsgrenzen. Wenn sich die Technologien weiterhin schnell verbessern, machen sie Vorgängertechnologien veraltet. In Situationen, in denen die Sicherheit und Überlebensfähigkeit von Hardware oder Daten von größter Bedeutung sind oder in denen die Ressourcen begrenzt sind, ist die schnelle Veralterung häufig Hindernisse für den reibungslosen oder fortgesetzten Betrieb.[142]

Aufgrund des intensiven Ressourcen -Fußabdrucks und der giftigen Materialien, die bei der Herstellung von Computern verwendet werden schädliche Umweltauswirkungen. Amerikaner werfen täglich 400.000 Handys aus,[143] Aber diese hohe Veralterung scheint Unternehmen als Gelegenheit, regelmäßige Verkäufe teurer neuer Geräte zu generieren, anstatt ein Gerät für einen längeren Zeitraum zu behalten, was zur Industrie führt geplante Obsoleszenz Als ein Gewinnzentrum.[144]

Log-log plot comparing gate length to node size
Intel Transistor Gate Länge Trend - Transistorskalierung hat sich bei fortschrittlichen (kleineren) Knoten erheblich verlangsamt

Eine alternative Quelle für eine verbesserte Leistung ist in Mikroarchitektur Techniken, die das Wachstum der verfügbaren Transistorzahl ausnutzen. Ausführende Ausführung und On-Chip zwischengespeichert und Vorabstetung Reduzieren Sie den Speicherlatenz Engpass auf Kosten der Verwendung von mehr Transistoren und Erhöhung der Prozessorkomplexität. Diese Erhöhungen werden empirisch von beschrieben Pollack -Regel, was besagt, dass die Leistung aufgrund von Mikroarchitekturtechniken zunimmt, die die Quadratwurzel der Komplexität (Anzahl der Transistoren oder der Fläche) eines Prozessors annähern.[145]

Die Prozessorhersteller lieferten jahrelang einen Anstieg der Erhöhungen Taktraten und Parallelität auf Befehlsebene, so dass der Single-Thread-Code schneller bei neueren Prozessoren ohne Änderung ausgeführt wurde.[146] Jetzt verwalten CPU -Leistungsdissipation, Prozessorhersteller, bevorzugen Multi-Core Chip -Designs und Software müssen in a geschrieben werden Multi-Threaded Art, die Hardware voll auszunutzen. Viele Paradigmen für Multi-Threaden-Entwicklung führen zu Overhead und werden keine lineare Anstieg der Geschwindigkeit gegenüber der Anzahl der Prozessoren verzeichnen. Dies gilt insbesondere bei der Zugriff auf gemeinsame oder abhängige Ressourcen, die aufgrund von sperren Streit. Dieser Effekt wird mit zunehmender Anzahl der Prozessoren deutlicher. Es gibt Fälle, in denen eine Erhöhung der Prozessortransistoren um ungefähr 45% auf etwa 10–20% erhöht wurde.[147]

Auf der anderen Seite fügen die Hersteller spezielle Verarbeitungseinheiten hinzu, um mit Funktionen wie Grafik, Video und Kryptographie umzugehen. Zum Beispiel fügt die parallele JavaScript-Erweiterung von Intel nicht nur mehrere Kerne, sondern auch für die anderen nicht generalen Verarbeitungsmerkmale ihrer Chips im Rahmen der Migration in der Client-Seite zu fördern HTML5.[148]

Das Gesetz von Moore hat die Leistung anderer Technologien erheblich beeinflusst: Michael S. Malone schrieb über den Krieg eines Moores nach dem offensichtlichen Erfolg von Schock und Ehrfurcht in den frühen Tagen der Irakkrieg. Der Fortschritt bei der Entwicklung von Führungwaffen hängt von der elektronischen Technologie ab.[149] Verbesserungen der Leiterdichte und des mit dem Moore-Gesetzes verbundenen Betriebs mit geringer Leistung haben ebenfalls zur Entwicklung von Technologien beigetragen, einschließlich Mobiltelefone[150] und 3d Drucken.[151]

Andere Formulierungen und ähnliche Beobachtungen

Verschiedene Maßnahmen für die digitale Technologie verbessern sich zu Exponentialraten im Zusammenhang mit dem Gesetz von Moore, einschließlich der Größe, Kosten, Dichte und Geschwindigkeit von Komponenten. Moore schrieb nur über die Dichte der Komponenten, "eine Komponente ist Transistor, Widerstand, Diode oder Kondensator",[133] bei minimalen Kosten.

Transistoren pro integrierter Schaltung - Die beliebteste Formulierung ist die Verdoppelung der Anzahl der Transistoren für ICs alle zwei Jahre. Ende der 1970er Jahre wurde Moores Gesetz als Grenze für die Anzahl der Transistoren auf den komplexesten Chips bekannt. Die Grafik oben zeigt, dass dieser Trend heute zutrifft. Ab 2017 ist der im Handel erhältliche Prozessor mit der höchsten Anzahl von Transistoren der 48 -Kern Centriq mit über 18 Milliarden Transistoren.[152]

Dichte bei Mindestkosten pro Transistor

Dies ist die Formulierung in Moores 1965er Zeitung von 1965.[1] Es geht nicht nur um die Dichte der Transistoren, die erreicht werden können, sondern um die Dichte der Transistoren, zu denen die Kosten pro Transistor am niedrigsten sind.[153]Da mehr Transistoren auf einen Chip gestellt werden, nimmt die Kosten für jeden Transistor ab, aber die Wahrscheinlichkeit, dass der Chip aufgrund eines Mangels nicht funktioniert. 1965 untersuchte Moore die Dichte der Transistoren, zu denen die Kosten minimiert werden, und beobachtete, dass die Transistoren durch Fortschritte in den Fortschritten in der PhotolithographieDiese Zahl würde mit "einer Rate von ungefähr einem Faktor von zwei pro Jahr" zunehmen.[1]

Dennard Scaling - Dies gilt dafür, dass der Stromverbrauch im Verhältnis zur Fläche (sowohl Spannung als auch Strom proportional zur Länge) der Transistoren abnehmen würde. Kombiniert mit Moores Gesetz, Leistung pro Watt Würde mit ungefähr der gleichen Geschwindigkeit wie Transistordichte wachsen und sich alle 1–2 Jahre verdoppeln. Laut Dennard Scaling Transistor -Dimensionen würden jede Technologieerzeugung um 30% (0,7x) skaliert, wodurch ihre Fläche um 50% verringert wird. Dies würde die Verzögerung um 30% (0,7x) verringern und daher die Betriebsfrequenz um etwa 40% (1,4x) erhöhen. Um das elektrische Feld konstant zu halten, würde die Spannung um 30%reduziert, wodurch die Energie um 65%und die Leistung (bei 1,4 -fache Frequenz) um 50%verringert wird.[c] Daher würde sich in jeder Transistordichte der Technologieerzeugung verdoppeln, der Schaltkreis wird zu 40% schneller, während der Stromverbrauch (mit der doppelten Anzahl der Transistoren) gleich bleibt.[154] Dennard Scaling endete 2005–2010 aufgrund von Leckageströmen.[21]

Das von Moore vorhergesagte Exponentialprozessor -Transistorwachstum führt nicht immer zu einer exponentiell größeren praktischen CPU -Leistung. Seit ungefähr 2005 bis 2007 ist Dennard Scaling beendet, so dass das Gesetz von Moore, obwohl es danach einige Jahre dauerte, keine Dividenden für eine verbesserte Leistung erbracht hat.[18][155] Der Hauptgrund für den Zusammenbruch ist, dass bei kleinen Größen die derzeitige Leckage größere Herausforderungen darstellt und auch den Chip erhitzt, was eine Gefahr von einer Bedrohung durchführt Thermalausreißer und erhöht daher die Energiekosten weiter.[18][155][21]

Die Aufschlüsselung der Skalierung von Dennard führte zu einem größeren Fokus auf Multicore -Prozessoren, aber die Gewinne, die durch Wechsel zu mehr Kernen angeboten werden, sind niedriger als die Erzielung, die Dennard Scaling fortgesetzt worden wäre.[156][157] In einer weiteren Abweichung von Dennard Scaling haben Intel-Mikroprozessoren 2012 einen nicht planarer Tri-Gate-Finfet bei 22 nm eingesetzt, der schneller ist und weniger Strom verbraucht als ein herkömmlicher planarer Transistor.[158] Die Rate der Leistungsverbesserung für Single-Core-Mikroprozessoren hat sich erheblich verlangsamt.[159] Die Single-Core-Leistung verbesserte sich in den Jahren 1986–2003 um 52% pro Jahr und 23% pro Jahr in den Jahren 2003 bis 2011, verlangsamte sich jedoch in den Jahren 2011–2018 auf nur sieben Prozent pro Jahr.[159]

Qualitätsbereinigter Preis für IT -Geräte - Das Preis von Informationstechnologie (IT), Computern und peripheren Geräten, angepasst an Qualität und Inflation, gingen durchschnittlich von 1959 bis 2009 durchschnittlich 16% pro Jahr zurück.[160][161] Das Tempo beschleunigte sich jedoch auf 23% pro Jahr in den Jahren 1995–1999, die durch schnellere IT -Innovation ausgelöst wurden.[134] und später in den Jahren 2010–2013 auf 2% pro Jahr verlangsamt.[160][162]

Während Qualitätsbereinigte Die Preisverbesserung des Mikroprozessorpreises wird fortgesetzt,[163] Die Verbesserungsrate variiert ebenfalls und ist auf einer Protokollskala nicht linear. Die Verbesserung der Mikroprozessorpreise beschleunigte sich Ende der neunziger Jahre und erreichte 60% pro Jahr (halbiert alle neun Monate) gegenüber der typischen 30% -Verbesserungsrate (halbieren alle zwei Jahre) in den Jahren früher und später.[164][165] Insbesondere die Laptop -Mikroprozessoren verbesserten 2004–2010 25–35% pro Jahr und verlangsamten sich auf 15–25% pro Jahr im Jahr 2010–2013.[166]

Die Anzahl der Transistoren pro Chip kann nicht vollständig angepasste Mikroprozessorpreise erklären.[164][167][168] Moores Artikel von 1995 beschränkt das Gesetz von Moores nicht auf strikte Linearität oder auf Transistorzahl, "die Definition von" Moore's Law "bezieht sich auf fast alles, was mit der Halbleiterindustrie zu tun hat, die auf einem Semi-Log-Grundstück annähert sich einer geraden Linie. Ich zögere, seine Ursprünge zu überprüfen und damit seine Definition einzuschränken. "[133]

Festplattenantriebsdichte - Eine ähnliche Vorhersage (manchmal genannt Kryders Gesetz) wurde 2005 für gemacht Festplatte Flächendichte.[169] Die Vorhersage wurde später als überoptimistisch angesehen. Mehrere Jahrzehnte schneller Fortschritte in der Flächendichte verlangsamten sich um 2010, von 30 bis 100% pro Jahr auf 10–15% pro Jahr, aufgrund von Lärm im Zusammenhang mit dem Lärm im Zusammenhang mit kleinere Korngröße der Festplattenmedien, der thermischen Stabilität und der Schreibfähigkeit unter Verwendung der verfügbaren Magnetfelder.[170][171]

Glasfaserkapazität - Die Anzahl der Bits pro Sekunde, die eine optische Faser heruntergesandt werden können, erhöht exponentiell, schneller als das Moores Gesetz. Kecks Gesetz, zu Ehren von Donald Keck.[172]

Netzwerkkapazität - Laut Gerry/Gerald Butters,[173][174] Der ehemalige Leiter von Lucents optischer Netzwerkgruppe bei Bell Labs gibt es eine andere Version namens Butters 'Law of Photonics,[175] Eine Formulierung, die das Gesetz von Moores absichtlich entspricht. Laut Butters 'Law verdoppelt sich die Datenmenge, die aus einer optischen Faser stammt, alle neun Monate.[176] Daher sinken die Kosten für die Übertragung etwas über ein optisches Netzwerk alle neun Monate um die Hälfte. Die Verfügbarkeit von Wellenlängen-Division-Multiplexing (manchmal als WDM bezeichnet) erhöhte die Kapazität, die auf einer einzelnen Faser um bis zu einem Faktor 100 platziert werden konnte. Optische Netzwerke und Dichte Wellenlängen-Division-Multiplexing (DWDM) bringt die Kosten für die Networking schnell ein, und weitere Fortschritte scheinen sicher zu sein. Infolgedessen brach der Großhandelspreis für den Datenverkehr in der zusammen dot-com Blase. Nielsens Gesetz sagt, dass die Bandbreite, die Benutzern zur Verfügung steht, jährlich um 50% steigt.[177]

Pixel pro Dollar - In ähnlicher Weise hat Barry Hendy von Kodak Australia Pixel pro Dollar als grundlegendes Werteswert für eine Digitalkamera aufgetragen und die historische Linearität (auf einer Protokollskala) dieses Marktes und die Möglichkeit demonstriert, den zukünftigen Trend des Digitalkamera -Preises vorherzusagen. LCD und LED Bildschirme und Auflösung.[178][179][180][181]

Der Great Moore's Law Compensator (TGMLC), auch bekannt als Wirths Gesetz - wird im Allgemeinen als als bezeichnet als Software aufblähen und ist das Prinzip, dass aufeinanderfolgende Generationen von Computersoftware in Größe und Komplexität zunehmen, wodurch die vom Gesetz von Moore vorhergesagten Leistungsgewinne ausgeglichen werden. In einem Artikel von 2008 in InfoWorld, Randall C. Kennedy,[182] Früher von Intel stellt diesen Begriff mit aufeinanderfolgenden Versionen von vor Microsoft Office Zwischen dem Jahr 2000 und 2007 als seine Prämisse. Trotz der Berechnungsleistung in diesem Zeitraum nach Moore's Law hat Office 2007 bei einem Prototypenjahr 2007 die gleiche Aufgabe mit der Hälfte der Geschwindigkeit auf einem Computer des protypischen Jahres 2007 im Vergleich zu Office 2000 auf einem Jahr 2000 erledigt.

Bibliothekserweiterung - wurde 1945 von berechnet von Fremont Rider Alle 16 Jahre in Kapazität zu verdoppeln, wenn genügend Platz zur Verfügung gestellt wurde.[183] Er befürwortete, sperrige, verfallende gedruckte Werke durch Miniaturisierte zu ersetzen Mikroform Analoge Fotografien, die für Bibliotheksbewohner oder andere Institutionen auf Nachfrage dupliziert werden können. Er hat die digitale Technologie, die Jahrzehnte später folgen, nicht vorausgesehen, um das analoge Mikroform durch digitale Bildgebung, Speicherung und Übertragungsmedien zu ersetzen. Automatisierte, potenziell verlustfreie digitale Technologien ermöglichten einen enormen Anstieg der Schnelligkeit des Informationswachstums in einer Zeit, die jetzt manchmal als die genannt wird Informationszeitalter.

Carlson Kurve - ist ein Begriff von geprägt von Der Ökonom[184] Um das biotechnologische Äquivalent des Moores Gesetz zu beschreiben, ist der Autor Rob Carlson benannt.[185] Carlson sagte genau voraus, dass die Verdoppelungszeit der DNA -Sequenzierungstechnologien (gemessen an Kosten und Leistung) mindestens so schnell sein würde wie das Gesetz von Moore.[186] Carlson -Kurven veranschaulichen die schnellen (in einigen Fällen überstreckten) Vertragsabnahme der Kosten und die Leistung der Leistung einer Vielzahl von Technologien, einschließlich DNA -Sequenzierung, DNA .

Erooms Gesetz - ist eine Beobachtung der pharmazeutischen Drogenentwicklung, die absichtlich als das von Moores geschriebene Gesetz geschrieben wurde, um sie mit den exponentiellen Fortschritten anderer Formen der Technologie (wie Transistoren) im Laufe der Zeit zu kontrastieren. Es heißt, dass sich die Kosten für die Entwicklung eines neuen Arzneimittels alle neun Jahre ungefähr verdoppeln.

Erfahrung Kurveneffekte Laut jeder Verdoppelung der kumulativen Produktion von praktisch jedem Produkt oder einer Dienstleistung wird eine ungefähre konstante prozentuale Reduzierung der Einheitenkosten begleitet. Die anerkannte erstmals dokumentierte qualitative Beschreibung dieser Daten von 1885.[187][188] Eine Leistungskurve wurde verwendet, um dieses Phänomen in einer Diskussion der Flugzeugekosten von 1936 zu beschreiben.[189]

Edholms Gesetz - Phil Edholm beobachtete, dass die Bandbreite von Telekommunikationsnetzwerke (einschließlich der Internet) verdoppelt sich alle 18 Monate.[190] Die Bandbreiten von Online Kommunikationsnetzwerke ist gestiegen von Bits pro Sekunde zu Terabits pro Sekunde. Der schnelle Anstieg der Online -Bandbreite ist größtenteils auf die gleiche MOSFET -Skalierung zurückzuführen, die Moore's Law ermöglicht, wie Telekommunikationsnetzwerke aus MOSFets gebaut werden.[191]

Haitz's law sagt voraus, dass die Helligkeit von LEDs mit sinkender Produktionskosten zunimmt.

Swansons Gesetz ist die Beobachtung, dass der Preis für Solarphotovoltaikmodule bei jeder Verdoppelung des kumulativen Versandvolumens tendenziell um 20 Prozent sinkt. Derzeit sinken die Kosten etwa alle 10 Jahre um 75%.

Siehe auch

Anmerkungen

  1. ^ Der Trend beginnt mit der Erfindung des integrierten Schaltkreises im Jahr 1958. Siehe die Grafik am Ende von Seite 3 der ursprünglichen Präsentation der Idee durch Moore.[1]
  2. ^ Im April 2005, Intel angeboten 10.000 US -Dollar, um eine Kopie des Originals zu kaufen Elektronik Ausgabe, in dem Moores Artikel erschien.[13] Ein in Großbritannien lebender Ingenieur war der erste, der eine Kopie fand und Intel anbot.[14]
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Weitere Lektüre

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