Legile lui Moore sunt legi empirice care se referă la evoluția puterii de calcul a calculatoarelor și complexitatea hardware - ului .
Prima dintre aceste legi a fost emisă de inginerul Gordon E. Moore în 1965, când a postulat pe o continuare a dublării complexității semiconductoarelor în fiecare an la un cost constant. Zece ani mai târziu, Moore și-a ajustat predicția la o dublare a numărului de tranzistoare pe un cip microprocesor la fiecare doi ani. Acest al doilea postulat sa dovedit a fi deosebit de corect și a popularizat termenul „legea lui Moore”, astfel încât acesta din urmă a ajuns să se extindă la dublarea oricărei capacități într-un anumit timp.
Primul microprocesor ( Intel 4004 ) a fost inventat în 1971 . Era o unitate de calcul pe 4 biți , tactată la 740 kHz și integrând 2300 de tranzistoare. Capacitatea de integrare a tranzistoarelor și creșterea fineței de gravare au îmbunătățit performanța procesorelor.
Interpretarea eronată a legii lui Moore cu privire la frecvența ceasului a fost mai mult sau mai puțin verificată din 1973 și ar fi trebuit să continue teoretic până în 2015 înainte de a ne întâmpina efectele zgomotului parazit ( efecte cuantice , descompuneri alfa ). Din 2004 , frecvența procesoarelor a tins să stagneze din cauza dificultăților de disipare termică, care împiedică creșterea frecvenței în ciuda dimensiunilor mai mici ale componentelor. În 2016, frecvențele procesorului s-au apropiat de pragul de 5 GHz . IBM (în cooperare cu Georgia Tech ) a înregistrat un record de 500 GHz cu un tranzistor echipat cu un cip pe bază de siliciu-germaniu care, pentru ocazie, a fost răcit la -269 ° C cu heliu lichid. Acest tranzistor funcționează încă la 350 GHz la temperatura camerei. În 2018, Intel a rupt marca de 7,5 GHz cu procesorul său Core i9-9900K, optimizând utilizarea azotului lichid pentru sistemul de răcire .
Cu toate acestea, a doua lege a lui Moore este întotdeauna respectată, datorită capacității de integrare a procesoarelor, care este încă în progres, ceea ce face posibilă ocolirea stagnării frecvenței prin dublarea numărului de tranzistoare pe un cip, frecvența rămânând la rândul său. neschimbat (Dual PowerPC în 2002 , Dual IA în 2004 , Intel Core Duo în 2006 ).
În plus, experimentăm cu cipurile Care funcționează în mod total asincron . Ideea circuitelor asincrone nu este nouă, deoarece a fost testată în 1951 cu IAS și în 1952 cu ORDVAC. Vedem de fapt că simpla transmisie a semnalului ceasului către toate componentele poate consuma jumătate din spațiu și puterea electrică a microprocesoarelor din anul 2000.
Utilizarea procesării paralele a devenit, în anii 2000, necesară pentru ca Legea lui Moore să rămână valabilă. De ani de zile, fondatorii procesorului au reușit să furnizeze creșteri ale ratei de ceas și instrucțiunile îmbunătățesc paralelismul, astfel încât aplicațiile cu un singur fir să ruleze mult mai repede pe o mașină cu un singur fir . Noua generație de procesoare fără a fi necesară nicio modificare. Acum, pentru a gestiona mai bine puterea disipată (direct legată de frecvența ceasului), fondatorii favorizează arhitecturile multi-core. Acest lucru are un impact extrem de mare asupra software-ului, care trebuie scris și adaptat special pentru a profita de hardware.
Un alt factor poate încetini progresul performanței procesorului, care de data aceasta nu are nimic fizic, ci financiar . Costul liniilor de producție este, de asemenea, în creștere exponențială, într-o asemenea măsură încât chiar și giganții concurenți, cum ar fi IBM și Siemens, au fost nevoiți să își reunească investițiile pentru a putea ține pasul.
Rentabilitatea noilor generații de mașini depinde de un viitor incert pentru a spune cel puțin (mulți utilizatori de PC-uri, de exemplu, încep să ia ca criteriu prioritar de alegere nu mai mult viteza unui PC, ci nivelul de zgomot al acestuia ) și ar putea fie că în aceste condiții este o decizie economică, și nu un nivel fizic, care pune capăt legii lui Moore.
Tot mai multe mașini puternice puse la dispoziția dezvoltatorilor au efecte perverse. În zilele procesorilor „lente” din anii 1980 și 1990 , dezvoltatorii investeau mult timp în optimizarea programelor și fiecare linie de cod care putea fi salvată a salvat ciclurile de ceas și, prin urmare, a crescut. Computerele actuale oferă confort de lucru, ceea ce are ca efect reducerea vigilenței dezvoltatorilor. În plus, constrângerile economice ne obligă să producem întotdeauna în grabă, iar timpul petrecut anterior optimizând codul a fost sacrificat. Așadar, astăzi ne confruntăm cu un paradox: computerele sunt din ce în ce mai rapide, dar software-ul este din ce în ce mai greu și mai lent (vezi legea lui Wirth ).
În cele din urmă, utilizatorul nu are senzația unei creșteri reale a vitezei, în special pentru sarcini de bază, cum ar fi procesarea textului . Mulți utilizatori regretă chiar și computere mai „rustice” care, lipsit de toate gadgeturile cu care sistemele sunt încărcate astăzi, s-ar putea dovedi mai eficient din punct de vedere al productivității .
Un alt factor explică, fără îndoială, mai bine lipsa senzației de progres: celelalte componente ale computerelor nu au evoluat neapărat la fel de repede. Într-un computer modern cu hard diskuri mecanice, acestea sunt factorul limitativ în experiența utilizatorului. Un computer este un sistem ca un lanț: cea mai lentă componentă decide viteza întregului. Adăugarea de memorie RAM sau instalarea unui stocare SSD într-un sistem învechit sau low-end permite un câștig de reactivitate (pornirea mașinii, lansarea programelor, oprirea) adesea mai apreciată de utilizator decât o viteză crescută a procesorului.
Legea lui Moore ar putea fi, de asemenea, de interes economic în controlul cererii prin distribuția distilată a ofertei. De fapt, miniaturizarea progresează în principiu datorită descoperirilor și optimizărilor ocazionale, o realitate care nu se conformează cu greu regularității evoluției exponențiale specificată de legea lui Moore. Prin controlul difuzării noilor aplicații tehnologice în timp, este posibil ca giganții semiconductori să definească în sine un model stabil de consum , și astfel să asigure o corespondență între eforturile lor de inovare și dorințele de reînnoire ale clienților lor. Aprovizionarea autolimitată ar obliga astfel consumatorii să își actualizeze periodic echipamentele. Pentru a fi eficient, ar fi totuși necesar ca o astfel de autolimitare a ofertei să se poată baza pe o puternică cartelizare a pieței.
În acest caz, destul de frecvent în istoria capitalismului , a legilor pieței ar favoriza restrângerea inovației pentru a asigura o chirie pentru întregul sector în cauză
Legea lui Moore sa dovedit a fi surprinzător de precisă până la începutul XXI - lea secol.
În 1999 , așa-numitul tranzistor CMOS „suprem” dezvoltat la CEA-Leti din Grenoble a împins principiul tranzistorului MOSFET la „limitele” sale cu o secțiune de 18 nanometri (dimensiunea a aproximativ 70 de atomi așezați unul lângă altul), adică de șapte ori mai mic decât cel mai mic tranzistor industrial din 2002 (123 nm în 2002, 83 nm în 2003, 65 nm în 2005, 45 nm în 2008, 32 nm în 2010, 22 nm în 2012, 14 nm în 2016, 7 nm în 2019). A permis un grad teoretic de integrare a șapte miliarde de joncțiuni pe o monedă de un euro. Dar, acesta a fost doar un simplu experiment de cercetare pentru a studia modul în care funcționează tehnicile CMOS atunci când se apropie dimensiunea moleculară.
Costul tehnicii care permite producerea de jetoane care încorporează tot mai mulți tranzistori crește în proporții amețitoare. O altă regulă de bază din Silicon Valley , Legea lui Rock , afirmă că costul fabricării unei turnătorii de cipuri se dublează la fiecare patru ani, deoarece procesul de fabricație utilizat timp de patruzeci de ani, fotolitografia , se apropie întotdeauna de limitele sale fizice. Astfel, în 2004, Intel a anunțat o investiție de peste două miliarde de dolari în fabrica sa Fab12 din Arizona pentru fabricarea de așchii din napolitane cu diametrul de 300 mm , care a înlocuit napolitele de 200 mm la sfârșitul anului 2005 .
Pentru fabricarea tranzistoarelor din ce în ce mai mici, se utilizează radiații cu lungimi de undă din ce în ce mai mici, iar cursa pentru miniaturizare va duce la fotolitografie în spectrul de raze X din ce în ce mai dur (radiații UV, apoi raze X etc.). Dar în această gamă de lungimi de undă devine dificil, dacă nu chiar imposibil, concentrarea eficientă a razelor. La mijlocul anilor 1990 , s-a considerat că nu poate produce industrial tranzistori cu mai puțin de 400 de atomi (100 nm ) în secțiune transversală cu un astfel de proces. În industria siliciului, această limită este numită „ Zidul ”.
În 2021, legea lui Moore se consideră că se apropie de limita sa. Până atunci, numărul tranzistoarelor cu microprocesor a progresat deoarece acestea sunt din ce în ce mai mici datorită creșterii fineții gravurii, dar nu va putea scădea sub o anumită valoare. Pentru a continua să crească numărul de tranzistoare pe aceeași suprafață, se preconizează construcția verticală a cipurilor 3D. Tranzistoarele nu vor fi mai mici, dar numărul lor va crește ca și când dimensiunea lor ar fi fost redusă.
Unii comentatori pun sub semnul întrebării relevanța Legii lui Moore pentru durabilitate :
Noile nevoi ( calcul „verde” , reducerea dimensiunii computerelor cu netbook-uri și tablete etc.) sunt exprimate mai puțin în termeni de milioane de tranzistoare pe mm² decât în performanță pe energie consumată.
În plus, este interesant să reduceți procesarea unei activități interactive de la 20 de secunde la 2 secunde, apoi la 200 ms . Atunci scăderea acestuia la 20 ms nu adaugă neapărat nimic și cu siguranță nimic dacă această sarcină este izolată. În timp ce nevoile industriale necesită din ce în ce mai multă putere, același lucru nu se aplică pe termen nelimitat la cele ale indivizilor.
Vedem apariția nevoilor părților interesate din afaceri, care solicită să se țină seama de impacturile de mediu și sociale ale activității lor în ceea ce privește dezvoltarea durabilă .
Un raport de informare al Senatului francez privind noile tehnologii informaționale menționează legea lui Moore ca fiind principala accelerare tehnică din ultimele decenii. Acest raport subliniază necesitatea definirii unui sistem de valori în noua societate informațională, care să evite științificul .
În acest context, trebuie să evaluăm performanța per watt .
Lista Green500 clasează TOP500 lista supercalculatoare în termeni de eficiență energetică . Aceasta se măsoară în FLOPS pe watt .
Producătorul IT Bull a abandonat Legea lui Moore în obiectivele sale și acum păstrează raportul performanță / energie în planurile sale IT verzi .
Unii producători precum ARM introduc procesoare care nu mai încearcă să respecte legea lui Moore. Procesoarele sale din 2009 au uneori 100.000 de tranzistoare, care este mai puțin decât un procesor Intel 286 12 MHz din 1982 , dar consumă doar un sfert de watt , echipând în 2009 o duzină de modele de netbook-uri care rulează sisteme de operare Linux sau altele .
Crearea în 2007 a Climate Savers Computing Initiative , care și-a stabilit scopul de a reduce la jumătate consumul de energie al computerelor, a semnat probabil Legea lui Moore.
Când Legea lui Moore și-a atins limitele, o schimbare de paradigmă va consta în trecerea de la microelectronică la nanotehnologii , adică un set de tehnici radical diferite, complementare sau concurente, cum ar fi utilizarea nanotuburilor în tranzistoare moleculare, calculatoare ADN , calcul cuantic ... Tehnologii grupate în mod obișnuit sub termenul „ nano-computere ”, care introduce în special sistemele omniprezente și calculul omniprezent.
La Forumul dezvoltatorilor Intel dinseptembrie 2007, Gordon Moore a prezis că legea sa de a dubla numărul de tranzistoare într-un cip la fiecare doi ani nu va fi valabilă în zece până la cincisprezece ani. Într-adevăr, industria se apropie din ce în ce mai mult de limitele fizice ale microelectronicii, unde tranzistoarele vor fi alcătuite doar din câțiva atomi și le vor izola unul de celălalt. Industria va trebui apoi să caute metode complet noi, cum ar fi stivuirea tranzistoarelor în trei dimensiuni.
În februarie 2016, sfârșitul legii lui Moore este anunțat de Foaia de parcurs tehnologică internațională pentru semiconductori (ITRS), care susține oficial abandonarea acestei legi, ritmul pur și simplu nu mai este durabil. Cu această ocazie, ITRS își schimbă numele și strategia, acum se numește Foaie de parcurs internațională pentru dispozitive și sisteme . Noua sa foaie de parcurs este intitulată Mai mult decât Moore, cu referire la abandonarea strategiei More Moore , care a permis fixarea investițiilor din industrie la un nivel care a permis ca Legea lui Moore să rămână valabilă.
(Indicat de Gordon Bell în prezentarea sa „ Legile de calcul ”)
Conform Legii lui Moore:
Deși Legea lui Moore este foarte spectaculoasă, nu ar trebui să ascundă alte progrese care uneori sunt superioare acesteia: