Luật của con điếm là gì và nó để làm gì?

Định luật Moore đề cập đến một quan sát được thực hiện bởi Gordon Moore, người đồng sáng lập Intel vào năm 1965, trong đó ông phát hiện ra rằng số lượng bóng bán dẫn trên một inch vuông trong các mạch tích hợp đã tăng gấp đôi sau mỗi năm kể từ khi phát minh ra nó.

Định luật Moore dự đoán rằng xu hướng này sẽ vẫn còn nguyên vẹn trong nhiều năm tới. Mặc dù tỷ lệ đã giảm, số lượng bóng bán dẫn trên mỗi inch vuông tăng gấp đôi khoảng mỗi năm rưỡi. Điều này được sử dụng như định nghĩa hiện tại của Định luật Moore.

Chỉ số nội dung

Phiên bản đơn giản hóa của luật này quy định rằng tốc độ xử lý hoặc sức mạnh tính toán tổng thể cho máy tính sẽ tăng gấp đôi sau mỗi hai năm. Kiểm tra nhanh giữa các kỹ thuật viên từ các công ty máy tính khác nhau cho thấy thuật ngữ này không phổ biến lắm, nhưng quy tắc vẫn được chấp nhận.

Nếu chúng tôi kiểm tra tốc độ bộ xử lý từ 1970 đến 2018 và sau đó một lần nữa vào năm 2019, chúng tôi có thể nghĩ rằng luật đã đạt đến giới hạn hoặc đang đến gần. Vào những năm 1970, tốc độ bộ xử lý dao động từ 740 KHz đến 8 MHz. Tuy nhiên, luật thực sự chính xác hơn để áp dụng cho bóng bán dẫn hơn là tốc độ.

Lượng năng lượng tính toán mà chúng ta có thể sử dụng trên các thiết bị nhỏ nhất có phần đáng chú ý so với những gì có thể đạt được, giả sử, một thập kỷ trước.

Nhìn lại, thậm chí năm năm hoặc lâu hơn, một PC tốt nhất vào thời điểm đó sẽ bị coi là lỗi thời nếu so với một PC hiện tại.

Điều này có thể đơn giản là vì các nhà sản xuất chip có thể tăng số lượng bóng bán dẫn trên chip đáng kể mỗi năm, khi những tiến bộ trong nghiên cứu chip cải thiện.

Sự mở rộng của Định luật Moore là máy tính, linh kiện chạy bằng máy tính và sức mạnh tính toán trở nên nhỏ hơn và nhanh hơn theo thời gian, khi các bóng bán dẫn trong các mạch tích hợp trở nên hiệu quả hơn.

Transitor là các công tắc bật tắt điện tử đơn giản được tích hợp vào vi mạch, bộ xử lý và các mạch điện nhỏ. Họ xử lý tín hiệu điện càng nhanh, máy tính càng hoạt động hiệu quả.

Chi phí của các máy tính có công suất cao hơn này cũng giảm theo thời gian, thường là khoảng 30% một năm. Khi các nhà thiết kế phần cứng tăng hiệu suất của các máy tính có mạch tích hợp tốt hơn, các nhà sản xuất có thể tạo ra các máy tốt hơn có thể tự động hóa các quy trình nhất định. Tự động hóa này tạo ra các sản phẩm giá thấp hơn cho người tiêu dùng, vì phần cứng tạo ra chi phí lao động thấp hơn.

Định luật Moore trong xã hội ngày nay

Năm mươi năm sau Luật Moore, xã hội đương đại nhìn thấy hàng tá lợi ích được phơi bày bởi luật này. Các thiết bị di động, như điện thoại thông minh và máy tính để bàn, sẽ không hoạt động nếu không có bộ xử lý rất nhỏ. Máy tính nhỏ hơn, nhanh hơn cải thiện giao thông vận tải, chăm sóc sức khỏe, giáo dục và sản xuất năng lượng. Hầu hết mọi khía cạnh của một xã hội công nghệ cao đều được hưởng lợi từ khái niệm Luật Moore được đưa vào thực tế.

Ngày nay, tất cả các bộ xử lý tiêu dùng đều được làm từ silicon, nguyên tố phổ biến thứ hai trong lớp vỏ Trái đất, sau oxy. Nhưng silicon không phải là một chất dẫn hoàn hảo, và các giới hạn đối với khả năng di động của các điện tử mà nó mang theo giới hạn cứng đối với việc bạn có thể đóng gói các bóng bán dẫn silicon dày đến mức nào.

Nhưng không chỉ tiêu thụ năng lượng là một vấn đề lớn, mà cả một hiệu ứng gọi là đường hầm lượng tử có thể gây ra vấn đề giữ các electron nằm ngoài ngưỡng độ dày nhất định.

Các bóng bán dẫn silicon hiện đạt 14 nanomet, và trong khi một số thiết kế chip 10 nanomet sẽ sớm được tung ra thị trường, người ta đã kết luận rằng để tuân thủ Luật Moore trong một thời gian dài, các công ty sẽ phải tạo ra các vật liệu mới hơn và tốt hơn để trở thành nền tảng của máy tính thế hệ tiếp theo.

Định luật Moore trong tương lai

Nhờ công nghệ nano, một số bóng bán dẫn nhỏ hơn virus. Những cấu trúc kính hiển vi này chứa các phân tử silicon và carbon được sắp xếp hoàn hảo giúp di chuyển điện dọc theo mạch nhanh hơn.

Cuối cùng, nhiệt độ của các bóng bán dẫn làm cho không thể tạo ra các mạch nhỏ hơn, bởi vì làm mát các bóng bán dẫn đòi hỏi nhiều năng lượng hơn so với những gì đi qua các bóng bán dẫn. Các chuyên gia cho thấy máy tính sẽ đạt đến giới hạn vật lý của Định luật Moore đôi khi trong vài năm tới. Khi điều đó xảy ra, các nhà khoa học máy tính sẽ phải kiểm tra những cách hoàn toàn mới để tạo ra máy tính.

Các ứng dụng và phần mềm có thể cải thiện tốc độ và hiệu quả của máy tính trong tương lai, thay vì các quy trình vật lý. Công nghệ đám mây, truyền thông không dây, Internet vạn vật và vật lý lượng tử cũng có thể đóng một vai trò quan trọng trong đổi mới công nghệ thông tin.

Tiến trình tăng gấp đôi số lượng mạch điện đã chậm lại và các mạch tích hợp không thể nhỏ hơn nhiều khi các bóng bán dẫn tiến gần hơn đến kích thước của một nguyên tử.

Tại một thời điểm nào đó trong tương lai, những tiến bộ về phần mềm hoặc phần cứng có thể giữ cho giấc mơ về Định luật Moore tồn tại. Tuy nhiên, ngành công nghiệp máy tính dường như đã sẵn sàng để chuyển sang một khóa học khác sẽ tiến lên trong một vài năm.

Sự tiến bộ của Định luật Moore

Mặc dù Luật của Moore đã nói điều đó hai năm một lần, sự gia tăng nhanh chóng trong sản xuất công nghệ này đã rút ngắn thời gian trong tâm trí của các kỹ thuật viên và người dùng.

Hạn chế tồn tại là một khi các bóng bán dẫn có thể được tạo ra nhỏ như các hạt nguyên tử, thì sẽ không còn chỗ cho sự tăng trưởng trong thị trường CPU khi nói về tốc độ.

Moore lưu ý rằng tổng số thành phần trong các mạch này đã tăng gấp đôi mỗi năm, vì vậy ông đã ngoại suy bản sao hàng năm này sang thập kỷ tiếp theo, ước tính rằng các vi mạch 1975 sẽ chứa 65.000 thành phần đáng kinh ngạc trên mỗi chip.

Năm 1975, khi tốc độ tăng trưởng bắt đầu chậm lại, Moore đã điều chỉnh khung thời gian hai năm của mình. Luật sửa đổi của ông là một chút bi quan; Khoảng 50 năm sau năm 1961, số lượng bóng bán dẫn tăng gấp đôi sau mỗi 18 tháng. Sau đó, các tạp chí thường xuyên nhắc đến Định luật Moore như thể đó là một định luật công nghệ với sự bảo mật của các định luật về chuyển động của Newton.

Điều làm cho sự bùng nổ mạnh mẽ này trong sự phức tạp của mạch có thể là kích thước thu nhỏ của các bóng bán dẫn trong nhiều thập kỷ.

Các đặc tính của bóng bán dẫn đo được ít hơn một micron đã đạt được trong những năm 1980, khi các chip bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động (DRAM) bắt đầu cung cấp khả năng lưu trữ megabyte.

Vào buổi bình minh của thế kỷ 21, các tính năng này đã tiếp cận rộng 0, 1 micron, cho phép sản xuất chip bộ nhớ gigabyte và bộ vi xử lý hoạt động ở tần số gigahertz. Định luật Moore tiếp tục trong thập kỷ thứ hai của thế kỷ 21 với sự ra đời của các bóng bán dẫn ba chiều hàng chục nanomet.

Sự kết thúc của Định luật Moore

Bởi vì Định luật Moore cho thấy sự tăng trưởng theo cấp số nhân, không có khả năng tiếp tục vô thời hạn. Hầu hết các chuyên gia mong đợi Luật Moore sẽ kéo dài thêm hai thập kỷ. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng những hạn chế về thể chất có thể đạt được vào năm 2018.

Theo một báo cáo gần đây từ Lộ trình công nghệ bán dẫn quốc tế (ITRS), bao gồm những người khổng lồ chip như Intel và Samsung, các bóng bán dẫn có thể đạt đến điểm mà họ không thể giảm thêm vào năm 2021. Các công ty cho rằng, để sau đó, nó sẽ không còn khả thi về mặt kinh tế để làm cho chúng nhỏ hơn, cuối cùng chấm dứt Định luật Moore.

Điều này có nghĩa là mặc dù về mặt vật lý, chúng có thể nhỏ hơn, nhưng về mặt lý thuyết, chúng sẽ đạt được cái mà ITRS gọi là tối thiểu kinh tế, có nghĩa là làm như vậy sẽ chỉ khiến chi phí bị cấm.

Đây không phải là lần đầu tiên lý thuyết của Moore bị nghi ngờ. Năm ngoái, Giám đốc điều hành Intel Brian Krzanich tuyên bố rằng việc thay đổi kích thước từ bóng bán dẫn này sang bóng bán dẫn khác mất từ ​​hai đến hai năm rưỡi. Krzanich đã đặt câu hỏi này trong cuộc gọi thu nhập từ Intel, nói rằng các quy trình sản xuất đã không tiến triển với tốc độ như trước đây.

Tuy nhiên, ITRS tin rằng điều này không có nghĩa là sự kết thúc của khái niệm đằng sau Đạo luật, vì các nhà sản xuất tìm ra những cách ngày càng sáng tạo để giới thiệu nhiều thiết bị chuyển mạch trong một không gian nhất định. Lấy ví dụ công nghệ 3D NAND của Intel, liên quan đến việc xếp chồng 32 lớp bộ nhớ lên nhau để tạo ra dung lượng lưu trữ khổng lồ.

Lời cuối cùng và kết luận

Cho đến nay, Định luật Moore đã được chứng minh là đúng, hết lần này đến lần khác, và kết quả là từ lâu đã được cho là chịu trách nhiệm cho hầu hết các tiến bộ trong thời đại kỹ thuật số, từ PC đến siêu máy tính, do nó Sử dụng trong ngành công nghiệp bán dẫn để hướng dẫn lập kế hoạch dài hạn và đặt mục tiêu cho nghiên cứu và phát triển.

Định luật Moore là một định luật kinh tế, không phải là một định luật vật lý. Nó chỉ ra rằng mỗi chip mới sẽ có số lượng bóng bán dẫn gấp đôi và do đó sẽ tính công suất của thế hệ trước cho cùng một chi phí sản xuất.

Quy tắc đơn giản này đã thúc đẩy tất cả những tiến bộ trong cuộc cách mạng công nghệ trong hơn nửa thế kỷ và tiếp tục xác định giới hạn ngày càng mở rộng của công nghệ ngày nay, cho phép chúng ta có được các khái niệm như trí tuệ nhân tạo và phương tiện tự trị, và biến chúng thành hiện thực.

Luật này nổi tiếng vì mọi người thích luật cho phép họ dự đoán tương lai của một trong những ngành công nghiệp lớn nhất thế giới, nhưng cơ sở vật lý của nguyên tắc này có nghĩa là nó hơi khác biệt và kém tin cậy hơn so với nhiều người tin tưởng

Những hạn chế về mặt vật lý trong việc tạo ra những con chip này có thể dễ dàng đẩy con số đó trở lại năm năm hoặc lâu hơn, vô hiệu hóa hiệu quả của Định luật Moore mãi mãi.

Nguồn hình ảnh Wikimedia Commons