Spis treści:
V posledních několika desetiletích prošel svět technologií pozoruhodnou revolucí, která v mnoha ohledech změnila náš život. Jádrem této revoluce je jeden princip, který jako by neustále provázel technologický vývoj a ovlivňoval naši každodenní zkušenost – Moorův zákon.
Tento termín, který označuje počet tranzistorů v integrovaných obvodech, zavedl spoluzakladatel společnosti Intel Corporation Gordon Moore již v roce 1965 a provází tuto technologii dodnes. V posledních letech se však stále častěji ozývají hlasy a teorie, které tvrdí, že dny slávy Moorova zákona jsou pryč.
V tomto článku proto rozebereme, jak zákon Gordona Moora ovlivnil vývoj počítačů, smartphonů, ale i vědeckých oborů, jako je medicína, fyzika a mnoho dalších. Dále se pokusíme odpovědět na otázky – Můžeme ještě očekávat, že se technologický pokrok bude zrychlovat tempem, které předpokládal spoluzakladatel společnosti Intel? Existují omezení a problémy, které to mohou ovlivnit? Zvu vás, abyste se blíže seznámili s Moorovým zákonem, pochopili jeho dopad a význam a zamysleli se nad nepochybně digitální budoucností.
Moorův zákon - znalosti a posteriori
Moorůvzákon, pojmenovaný po Gordonu Moorovi, spoluzakladateli společnosti Intel a jednom z průkopníků mikroprocesorového průmyslu, je empirický princip, který se týká rychlosti technologického vývoje v elektronice. Gordon Moore tento princip poprvé formuloval v roce 1965 na stránkách časopisu Electronics, kde popsal pozorování, že počet tranzistorů v integrovaných obvodech se zdvojnásobuje každých zhruba 18-24 měsíců. V praxi to znamená, že každých několik let obsahují nové čipy dvakrát více tranzistorů než jejich předchůdci.
Moorův zákon je také často interpretován tak, že výpočetní výkon počítačů a elektronických zařízení exponenciálně roste, což následně vede ke stále rychlejším, efektivnějším a menším elektronickým zařízením. Tato práce vychází z původních pozorování Gordona Moora, která byla zaměřena výhradně na počítačový průmysl, ale postupem času se ukázalo, že nárůst počtu tranzistorů v integrovaných obvodech je téměř totožný pro celý polovodičový průmysl a ovlivňuje rozvoj mnoha oborů, jako jsou telekomunikace, medicína, těžký průmysl a dokonce i energetika. Je však třeba mít na paměti, že mezi tvrzení o počtu prvků v čipu a výpočetním výkonu nelze klást znak rovnomocnosti. Výpočetní výkon závisí na mnoha faktorech, včetně architektury centrální procesorové jednotky, o které jsem již jeden materiál připravil. Ačkoli v raných fázích technologického vývoje znamenal vyšší počet tranzistorů vyšší účinnost, již mnoho let to neplatí.
Lze bezpochyby říci, že Moorův zákon se stal jakýmsi paradigmatem pro technologický průmysl a směrovkou pro firmy a inženýry pracující na vývoji nových technologií. Více než půl století po formulaci Moorova zákona se však objevují otázky o jeho další platnosti a omezeních tváří v tvář stále vyspělejší technologii.
Od dvou tisíc do 10 miliard
Příběh Moorova zákona je na jedné straně příběhem předpovědí a přesných pozorování, které daly vzniknout technologické revoluci, a na druhé straně příběhem jednoho z nejvýznamnějších myslitelů v oblasti elektroniky, který své předpovědi – převážně díky potenciálu společnosti Intel – uskutečnil. Je také příkladem toho, jak může mít jeden koncept obrovský dopad na náš každodenní život a ovlivnit technologický vývoj na další desetiletí.
Integrované obvody prošly v průběhu let fascinujícím vývojem, který byl hlavní hnací silou rozvoje mikroelektronických technologií a měl obrovský vliv na vývoj počítačů a dalších elektronických spotřebičů každodenní potřeby. V 60. letech i 70. XX století byly integrované obvody na počátku svého vývoje. První návrhy byly relativně jednoduché a skromné co do počtu tranzistorů. Příkladem může být první komerčně dostupný mikroprocesor Intel 4004, uvedený na trh v roce 1971, který se skládal z pouhých 2300 tranzistorů. Kromě toho měly čipy z tohoto období omezené použití, často se nacházely pouze ve vojenských a průmyslových zařízeních. Tyto první kroky však byly pro další vývoj mikroelektroniky klíčové.
Skutečnou revolucí, díky níž se předpověď Gordona Moora stala skutečností, byla 80. léta 20. století. Toto období můžeme označit jako explozi výpočetního výkonu. Vznikly mikroprocesory, jako například Intel 8086, které byly postaveny díky stovkám tisíc tranzistorů. V tomto období se osobní počítače začaly stávat stále dostupnějšími pro širokou škálu uživatelů, což znamenalo začátek digitální revoluce.
S rozvojem mikroelektroniky se integrované obvody staly mnohem složitějšími a propracovanějšími a obsahují miliony nebo dokonce miliardy tranzistorů na jediném křemíkovém jádře. Současné procesory mohou mít dokonce více než 10 miliard tranzistorů, jak ukazují například procesory Intel i9 13. a 14. generace.
Jedním z klíčových aspektů souvisejících s vývojem integrovaných obvodů je vedle postupného rozšiřování také miniaturizace. Nebýt tohoto procesu, byly by dnešní čipy z hlediska plochy křemíkového jádra mnohem větší a technologický vývoj diktovaný Moorovým zákonem by pravděpodobně nebyl možný. S technologickým pokrokem se velikost tranzistorů zmenšila z mikrometrů na nanometry. To umožnilo umístit ještě více těchto typů prvků na jeden křemíkový substrát, což vedlo ke zvýšení účinnosti a snížení výrobních nákladů. Troufám si tvrdit, že miniaturizace byla hlavním a nezbytným faktorem, který umožnil existenci Moorova zákona, ačkoli s blížícími se technologickými limity vyvstávají další problémy, které mohou v určitém okamžiku zastavit nebo alespoň výrazně zbrzdit další rozšiřování.
Udržet tempo - výzvy polovodičového průmyslu
Dnešní návrháři a inženýři čipů čelí stále větším výzvám, když se snaží udržet tempo růstu počtu tranzistorů v integrovaných obvodech, jak předpovídá Moorův zákon. Ačkoli toto proroctví fungovalo po celá desetiletí, v posledních letech je jeho realizace stále obtížnější kvůli některým zásadním překážkám.
Hlavní výzvou, jejíž význam jsem již zmínil, je miniaturizace. Tranzistory v integrovaných obvodech jsou již tak malé, že se pomalu blížíme k fyzikálním limitům, takže další zmenšování je stále obtížnější a nákladnější. Se zmenšující se velikostí tranzistorů navíc vznikají fyzikální problémy, jako jsou tunelové efekty, které mohou ovlivnit stabilitu a výkon obvodů.
Stejně důležitý je i nárůst spotřeby energie. S rostoucím počtem tranzistorů v obvodech roste i spotřeba energie. Potřeba odpovídajícího chlazení a řízení teploty je stále důležitější. Snižování spotřeby energie se stává prioritou, a to jak z hlediska účinnosti, tak z hlediska udržitelnosti.
Je třeba také zmínit, že současné technologie výroby čipů využívají materiály a postupy, které rovněž dosahují svých limitů. Pro další vývoj integrovaných obvodů je třeba vyvinout nové materiály a výrobní technologie.
A konečně, z ekonomického hlediska vyžaduje udržení tempa růstu podle Moorova zákona značné finanční investice do výzkumu a vývoje. Polovodičoví giganti musí investovat značné prostředky do nových technologií, a konkurence je tak stále tvrdší.
I přes tyto problémy však konstruktéři čipů pokračují v práci na inovativních řešeních. Příkladem jsou tranzistory na bázi uhlíkových nanotrubiček a výrobní techniky, které mohou v budoucnu umožnit další miniaturizaci. Kromě toho se neustále vyvíjejí strategie řízení spotřeby a chlazení s cílem snížit spotřebu energie a zlepšit výkon čipu. Výzvy a problémy jsou nepochybně značné, ale bez jejich vyřešení nebude možné dosáhnout rychlosti vývoje odpovídající Moorovu zákonu.
Platí stále Moorův zákon?
Není pochyb o tom, že se Mooreův zákon v průběhu desetiletí docela dobře osvědčil, ale v posledních letech se stále častěji objevují otázky, zda Mooreův zákon platí dnes, nebo kdy přestane platit. Toto téma je zdrojem mnoha diskusí a úvah mezi odborníky na technologie a výzkumníky. Odpověď na tuto otázku však není zcela jasná, existují určité náznaky, že tempo růstu výpočetního výkonu se může v blízké budoucnosti zpomalit. Nicméně, jak jsem se již zmínil, výpočetní výkon je pouze jedním z aspektů Moorova zákona a vliv teorie spoluzakladatele společnosti Intel na dnešní čipy je stále patrný.
V posledních letech došlo ke znatelnému zpomalení tempa růstu počtu tranzistorů v křemíkových jádrech, a to zejména kvůli fyzikálním omezením miniaturizace a rostoucím výrobním nákladům. V současné době se nejmodernější čipy vyrábějí v 3nm litografii a je třeba připomenout, že se nejedná o velikost jednoho tranzistoru, protože ta se pohybuje kolem 48nm. Technologičtí inovátoři pokračují v práci na nových technologiích, jako jsou 3D integrované obvody nebo materiály, které se liší od tradičních křemíkových tranzistorů, možná proto, aby pokračovali ve známém tempu technologického růstu z předchozích let.
Moorův zákon sice již neplatí tak jednoznačně jako v předchozích letech, ale stále je vodítkem pro vývoj technologií. Tvrdit, že je mrtvý na základě jediného GPU, což se stalo loni (2022) na konferenci Nvidi, je podle mě jen marketingový tah. Zda Moorův zákon přestal platit, budeme moci říci až za několik let, pokud bude trend zpomalování pokračovat. I když to může být i naopak a za nějaký čas se objeví něco, o čem zatím nevíme, co vyvolá další revoluci ve světě polovodičů a povede k nárůstu potenciálu integrovaných obvodů, jaký historie ještě nezažila.
Zdroje:
https://en.wikipedia.org/wiki/Moore%27s_law
https://en.wikipedia.org/wiki/Amdahl%27s_law
https://builtin.com/hardware/moores-law
https://www.wired.com/story/moores-law-really-dead/
https://www.investopedia.com/terms/m/mooreslaw.asphttps://ourworldindata.org/moores-law
https://www.britannica.com/technology/Moores-law
https://en.wikipedia.org/wiki/3_nm_process
https://www.oregonlive.com/business/2023/03/gordon-moore-visionary-intel-co-founder-who-brought-the-company-to-oregon-dies-at-94.html
https://www.cnet.com/tech/computing/intel-will-outpace-moores-law-ceo-pat-gelsinger-says/
