Mooreův zákon: odhaluje nejen vývoj počítačových čipů

Mooreův zákon v Intelu

Gordon E. Moore v roce 1965 odhadl, že v roce 1975 bude možné na jeden křemíkový čip s velikostí asi 6 mm² vměstnat až 65 000 komponentů, tedy především tranzistorů. Zajímavé je, že tento předpoklad založil pouze na 3 výchozích bodech, které mu ukázaly vývoj po dobu příštích 10 let. Prvním tímto bodem byla výroba prvního planárního tranzistoru v roce 1959, dále se mohl opřít o výrobu prvních integrovaných obvodů s několika prvky, a to konkrétně o 32prvkový obvod z roku 1964 a dále už věděl, že v roce 1965 přijde na trh obvod se 64 prvky. Pokud tedy budeme dále každým rokem zdvojnásobovat tento počet, dospějeme v roce 1975 k oněm předpovídaným 65 000, čili šlo o velmi jednoduše vypočtenou předpověď, která se ukázala jako pozoruhodně pravdivá.
Jaká ale byla realita ve společnosti Intel? Prvním mikroprocesorem Intelu se stal model 4004, který se skládal z 2300 tranzistorů a přišel na svět v roce 1971, kdy měla být dle Moora dosažena hranice 4 000 tranzistorů. To nevypadá jako úspěšná předpověď, ale Intel nevyrobil v roce 1971 pouze svůj první mikroprocesor, ale také první paměť s technologií EPROM. Prezentoval ji jako model 1702 (nebo 1702A s nižším napětím pro gate - VGG) a pokud se podíváme na dostupné informace, tato paměť dokázala uložit 2048 bitů a každá buňka se skládala ze dvou tranzistorů - jeden pro uložení bitu a druhý adresovatelný v poli, který sloužil k přečtení informace z prvního. Vychází nám tedy, že EPROM 1702 se musely skládat alespoň ze 4096 tranzistorů.

Po procesoru 4004 následoval v roce 1972 model 8008, první osmibitový procesor, který se skládal z 3500 tranzistorů, čili procesory byly stále o cca rok pozadu za Moorovými předpoklady. O dva roky později, kdy už měly nejlepší čipy obsahovat 32 000 tranzistorů, se objevil známý procesor 8080, jenž se skládal z přibližně 4500 tranzistorů (dle Intelu, některé zdroje udávají 6000 tranzistorů). Budeme tedy věřit spíše Intelu. To ale znamená, že vývoj mikroprocesorů neodpovídal tomu, co Moore předpokládal. Nesmíme ale zapomenout na paměti EPROM. V roce 1975 se objevily 4kb 2704 i 8kb 2708, jež stále ještě měly využívat pro uložení jednoho bitu dva tranzistory, takže by mělo jít o přinejmenším 16 000 tranzistorů, což má k 65 000 stále daleko, ale dle článku z časopisu IEEE Spectrum (PDF) byl Intel v tom samém roce schopen vyrobit jisté paměti skládající se z přibližně 65 000 tranzistorů. Nicméně nebylo uvedeno, o jaké paměti konkrétně šlo.
Moore v roce 1975 rovněž uvedl, jaké důvody stojí za dosud exponencielním nárůstem počtu tranzistorů v každém roce. Zaprvé byli výrobci schopni odladit své procesy tak, aby vznikalo méně zmetků, čímž se mohli rychleji posunovat dále. Vedle toho tu byly pokroky v optice a fotolitografii, která umožnila tvořit jemnější obvody. A nakonec to byly chytřejší návrhy, které umožnily efektivněji využít povrch waferu, nicméně Moore dodal, že už není žádný prostor k tomu, aby se z výrobních procesů získalo více tím, že wafery budou využívány efektivněji. Nadále se tedy výrobci budou muset spoléhat především na technologický pokrok, a právě kvůli tomu Moore upravil svou předpověď a řekl, že lze očekávat zdvojnásobení počtu prvků na čipech ne každý rok, ale každý rok a půl, což zakrátko přišlo ve známost jako Mooreův zákon. Intel navíc v nových materiálech udává, že nejde o rok a půl, ale rovnou dva roky.

I příštích 20 letech sledovaly směr vytyčený Mooreovým zákonem spíše paměťové čipy než procesory a šlo především o RAM. Nicméně i počet tranzistorů v procesorech následoval předpovězenou křivku, i když ne tak strmě, ale není ani důležité, zda ji následoval těsně a každým rokem a půl či dvěma se počet tranzistorů opravdu znásobil. Důležité je, že vývoj se dosud nezastavil a i v příštích několika letech bude pravděpodobně pokračovat. Připomeňme si tedy některé významné modely CPU od společnosti Intel:

Rok	Model	Počet tranzistorů
1978	8086	29 000
1982	80186	55 000
1982	80286	134 000
1985	80386	275 000
1989	80486	1 180 235
1993	Pentium	3 100 000
1995	Pentium Pro	5 500 000
1997	Pentium II (Klamath/Deschutes)	7 500 000
2000	Pentium III (Coppermine)	21 000 000
2000	Pentium 4 (Willamette)	42 000 000
2001	Pentium III (Tualatin)	45 000 000
2002	Pentium 4 (Northwood)	55 000 000
2006	Pentium 4 (Cedar Mill)	184 000 000
2006	Core 2 Duo (Conroe)	291 000 000
2008	Core i7 (Bloomfield)	731 000 000
2010	Core i7 (Gulftown)	1 170 000 000
2012	Core i7 (Ivy Bridge)	1 400 000 000
2014	Core i7 (Haswell-E)	2 600 000 000
2014	Xeon (Haswell-E5)	5 560 000 000

Z tabulky je zřejmé, že počet tranzistorů skokově narůstá, k čemuž pomohly stále pokročilejší výrobní procesy, ale i to, že procesory v 70. letech zabíraly kolem 20 mm², zatímco dnes je to třeba i 700 mm². Ovšem ani oněch 5,5 miliardy dnes není konečná. Však GPU NVIDIA GeForce GTX TITAN X má přes 8 miliard tranzistorů a ohlášené CPU SPARC M7 firmy Oracle má obsahovat dokonce více než 10 miliard tranzistorů. Ani to ale není nejvíce. Největšího počtu tranzistorů se dopočítáme u FPGA čipu Virtex-Ultrascale XCVU440 od Xilinx s více než 20 miliardami tranzistorů, ovšem Xilinx "trošku" podvádí, protože využívá technologii CoWoS (Chip on Wafer on Substrate) kombinující tři čipy v jednom pouzdře.
Z Mooreova zákona se postupem času stala jakási univerzální roadmap či výrobní plán pro celý počítačový průmysl. Moore také v roce 1995 vedle očividných dopadů na dostupné výrobní technologie zmínil i psychologický dopad a označil svůj zákon za "sebenaplňující proroctví". Každý výrobce prý totiž chápe, že je bezpodmínečně nutné, aby následoval směr vytyčený Mooreovým zákonem, jinak začne zaostávat. Všichni se tak snaží Mooreovy předpoklady splnit, takže je zároveň udržují v platnosti.

Není ale důvod, proč by Moorův zákon měl platit i v dalších dlouhých desetiletích, však odhodlání na to nestačí, zvlášť když se do cesty staví samotná fyzická omezení, přes něž se nepůjde přenést, aniž bychom je nějak obešli (nejlépe změnou technologie). Již v roce 1996 bylo skupinou 11 velmi zkušených lidí z počítačového průmyslu předpovězeno, že zákon bude platit do roku 2010, což ale bylo nyní překonáno již o 5 let a nevypadá to, že by jeho konec měl nastat každým rokem. Však už je v dohledu 10nm technologie a z aktuální 14nm nebyly ani zdaleka vymáčknuty všechny možnosti. Problém je však to, že od roku 1995 začaly exponenciálně růst i náklady na vývoj lepších výrobních technologií a dopady jsme mohli v minulých dvou dekádách vidět sami.
Stále více firem se zbavuje svých továren nebo nepokračuje s výstavbou moderních, protože by jednoduše nebyly schopny financovat další výzkum a vývoj výrobních technologií či jejich licencování. Nemůže si to už dovolit AMD, Panasonic, UMC, Fujitsu, NEC, Toshiba a nově dokonce ani IBM, takže se musí případně spoléhat na kapacity velkých společností, jako je TSMC nebo GlobalFoundries. V roce 1966 tedy stála nová továrna na výrobu polovodičových součástek kolem 14 milionů dolarů, v roce 1995 to byly již 1,5 miliardy, v roce 1998 pak 3 miliardy a co se týče moderní arizonské Intel Fab 42 pro až 450mm wafery, ta měla Intel dle plánů z roku 2011 přijít na více než 5 miliard dolarů. Fab 42 mimochodem ještě ani nebyla dostavěna, neboť její výrobní kapacity nejsou zatím zapotřebí (pro 14nm proces má Intel k dispozici 5 dalších továren) a nevypadá to, že by měla být její výstavba brzy obnovena.
Je tedy možné (nebo spíše velmi pravděpodobné), že konec Mooreova zákona nastane v době, kdy přestane být i pro nejbohatší společnosti ekonomicky udržitelné vyvíjet nové výrobní procesy pro produkci křemíkových čipů a stavět pro ně příslušné továrny. A pokud se podíváme na předpovědi různých lidí, kteří od roku 2000 až po letošek odhadovali konec platnosti Mooreova zákona z technického hlediska, můžeme vidět hrubé rozmezí let 2020 až 2025. Ovšem až čas ukáže, zda tyto předpovědi nebude opět třeba poupravit.

Dle průzkumu deníku The Economist se ale právě nacházíme v době, kdy přestává platit jeden předpoklad, který udržoval Mooreův zákon v platnosti. Donedávna ještě strmá křivka vývoje počtu tranzistorů, které si můžeme v moderních čipech koupit za jeden dolar, začíná dle zatím dostupných informací klesat. Čili výroba modernějšími technologiemi se opravdu začíná prodražovat.