Svenska CPU-guiden – Sveriges största test av processorer (arkiv)

Moores lag - vad är det?

Ett begrepp som ofta förekommer när man talar om nya processorer och framför allt ny tillverkningsteknik är “Moores lag”, men allt för ofta utan en korrekt förklaring av vad begreppet faktiskt innebär. Moores lag har använts flitigt av analytiker och kretstillverkare för att uppskatta hur marknaden kan komma att se ut under de kommande åren, men det finns gott om missuppfattningar om vad “lagen” faktiskt innebär. På den här sidan vill vi därför klargöra vad Moores lag är för något, i vilken mån den är giltig och hur den kan komma att användas i framtiden.

Vad är Moores lag?

En wafer med Intel Pentium-processorer tillverkade med en processnod på 800 nanometer. Bild: Naotake Murayama

Det finns huvudsakligen tre sätt att göra processorer kraftfullare: du kan höja klockfrekvensen, du kan förbättra hur transistorerna i processorn är sammanlänkade och på så sätt få dem att arbeta mer effektivt, eller så kan du helt enkelt bygga in fler transistorer. Det går såklart alltid att använda fler transistorer genom att helt enkelt bygga större processorer, men går du den vägen innebär det att processorn drar mer ström och att du inte kan tillverka lika många på samma gång, vilket innebär att varje enskild processor blir dyrare. Istället kan halvledartillverkare använda sig av mindre transistorer så att det får plats fler på samma yta – på så sätt kan fler processorer tillverkas på samma gång vilket håller tillverkningskostnaderna i schack samtidigt som prestandan fortsätter bli bättre.

Så har processorutvecklignen fungerat sedan halvledarindustrin började ta fart i början av 60-talet, och utveckling av mindre transistorer har varit den drivande kraften bakom den elektronikexplosion som lett till det högteknologiska samhälle vi har idag. år 1971 var de minsta kommersiella transistorerna 10 mikrometer stora och i skrivande stund, 44 år senare, är de nere på 14 nanometer – eller mindre än en 700-del så stora.

år 1965 skrev Gordon Moore, en amerikansk kemist som tre år senare var med och grundade Intel, en avhandling där han ringade in just hur ny tillverkningsteknik går hand i hand med kraftfullare och billigare kretsar. Faktumet att processorer kan tillverkas med bättre prestanda och lägre pris med ny tillverknigsteknik var redan allmän kännedom, men vad Moore gjorde var att ta fram en tidig matematisk modell på hur mycket billigare och hur mycket kraftfullare kretsarna skulle bli.

“The complexity for minimum component costs has increased at a rate of roughly a factor of two per year. Certainly over the short term this rate can be expected to continue, if not to increase. Over the longer term, the rate of increase is a bit more uncertain, although there is no reason to believe it will not remain nearly constant for at least ten years. That means by 1975, the number of components per integrated circuit for minimum cost will be 65 000.”
– Gordon Moore, “Cramming More Components onto Integrated Circuits”, 1965

Det Moore kom fram till i sitt ursprungliga arbete var att mängden transistorer som kostnadseffektivt kan byggas in i en krets fördubblas varje år. Den observationen visade sig vara pricksäker en bit in på 70-talet, varpå Moore justerade sin observation för att istället föreslå en fördubbling vartannat år – och det är vad vi idag kallar Moores lag.

Vad är Moores lag INTE?

Vad som är viktigt att komma ihåg är att Moores lag inte är en fysikalisk lag som exempelvis Newtons lagar, utan en observation och en trubbig (men trots det pricksäker) förutsägelse som mycket väl kan komma att abrupt förändras. Det finns mängder med faktorer som påverkar hur halvledarindustrin går framåt, och medan observationen har varit imponerande pricksäker under halvledarindustrins guldålder så har den vacklat de senaste åren.

En annan vanlig missuppfattning är att Moore förutspådde att prestandan skulle fördubblas var 18:e månad, vilket bara är delvis sant. Den observationen kommer snarare från en annan Intel-chef, David House, som menar att en fördubbling av antalet transistorer vartannat år i kombination med alla andra optimeringar som kretstillverkare lägger till (såsom nya instruktionsset och effektivare arkitektur) mynnar ut i fördubblad prestanda ungefär var 18:e månad. Den observationen har fortfarande vikt idag, men inte på samma sätt som förr – idag finns det fler sätt att mäta en processors prestanda, och de stora prestandahoppen sker idag bland annat via kraftfullare inbyggda grafikkretsar.

Moores lag idag

Trenden som Moores lag förutser är exponentiell vilket innebär att mängden transistorer i moderna kretsar växer snabbare och snabbare, men trots flera årtionden av precision i ryggen så håller kurvan på att planas ut. Den största anledningen till det är att fysikens lagar börjar sätta upp allt jobbigare farthinder när man arbetar på nanometerskala och närmar sig att behöva arbeta med bara ett fåtal atomer.

En ny processorwafer tillverkad av IBM med en experimentell processnod på 7 nanometer. Bild: IBM, 2015

Att ta fram en ny tillverkningsteknik är helt enkelt mycket svårare och dyrare idag än vad det var under andra halvan av 1900-talet, både på grund av begränsningar i utrustningen och begränsningar i materialet som används – det vill säga kisel. Intels 14-nanometersteknik blev exempelvis försenad, och även om tidiga produkter med tekniken hittade ut på marknaden samma år som planerats så dröjde en fullskalig lansering nästan ett år – liknande svårigheter gäller för konkurrerande tillverkare som TSMC, Samsung och Globalfoundries. Nästa processnod blir på 10 nanometer, och det finns ingen anledning att tro att den processnoden skulle bli enklare att få klar i tid.

Med det sagt så har Moores lag justerats tidigare, så även om vi kan räkna med längre tidsramar framöver så gäller den bakomliggande tekniken fortfarande. Nya material som kan ersätta kisel förväntas även blåsa nytt liv i halvledarindustrin, med flera spännande alternativ på ingång som kan komma att användas i framtidens processortillverkning. Med andra ord är kanske Moores lag utdaterad i dess nuvarande form, men industrin som lagen beskriver har fortfarande gott om nya ess i rockärmen.