Это закон определял благополучие человечества на протяжении последних 50 лет, но теперь конец близок.


В 1965 году Гордон Мур предсказал, что число компонентов на интегральных схемах будет удваиваться каждый год, пока к 1975 года не достигнет большого по тем временам значения в 65000. Это можно считать главным технологическим прогнозом последних 50 лет. Когда в 1975 году прогноз подтвердился, Мур пересмотрел своё предсказание. Теперь он ожидал, что число транзисторов на чипе будет удваиваться каждые два года.

С тех пор этот прогноз определял направление и темпы развития технологий.

Мур оперировал экономическими аргументами. Интегральные микросхемы с многочисленными транзисторами и другими электронными устройствами, связанные алюминиевыми проводящими цепями на крохотной пластине кремния, за несколько лет до этого изобрёл Роберт Нойс из компании Fairchild Semiconductor. Гордон Мур был директором компании по исследованиям и разработкам. В 1965 году он писал, что новые интегральные схемы означают, что стоимость компонентов отныне обратно пропорциональна числу этих компонентов. Это была отличная экономическая сделка. Теоретически, чем больше транзисторов на чипе, тем дешевле стоит один транзистор. Также Мур считал, что перед инженерами открывается большой простор по увеличению количества транзисторов, которые можно разместить на чипе.

Вскоре эти дешёвые и всё более мощные транзисторы стали, как выражаются экономисты, технологией общего назначения. Настолько фундаментальной технологией, что она породила инновации и развитие множества отраслей промышленности. Несколько лет назад ведущие экономисты сказали, что информационные технологии на основе интегральных микросхем ответственны за третью часть роста производительности труда в США с 1974 года. Почти все важные технологии, от смартфонов и ноутбуков до развития GPS, являются прямым следствием предсказания Мура. Закон Мура привёл к прорыву в развитии искусственного интеллекта (ИИ) и генетики, сделав возможными технологии машинного обучения с обработкой огромных массивов данных для быстрого поиска нужных ответов.

Как именно простое предсказание на основе экстраполяции из графика с числом транзисторов на одной оси и временем на другой, где в тот момент было всего несколько точек, определило развитие технологий на протяжении половины столетия? По крайней мере, так считают представители полупроводниковой промышленности.


Номер журнала Electronics Magazine за апрель 1965 года, где появилась статья Гордона Мура.

Мур писал, что внедрение большего числа компонентов в интегральные схемы (это заголовок его статьи 1965 года) приведёт к таким чудесам, как домашние компьютеры (или хотя бы терминалы с подключением к центральному компьютеру), автоматическому управлению автомобилями, персональному портативному коммуникационному оборудованию. В общем, если придерживаться его технологического плана по увеличению числа транзисторов в чипах, мир попадёт в страну чудес. На протяжении следующих десятилетий растущая промышленность, государственные органы и армия академических и промышленных исследователей тратили деньги и время на поддержание закона Мура. Он превратился в самоисполняющееся пророчество, которое с высокой точностью поддерживало темпы технического прогресса. Хотя в последние годы эти темпы замедлились, самые продвинутые чипы сейчас содержат в себе почти 50 млрд. транзисторов.

Читать также:  10 прорывных технологий 2020 года

Закон Мура оказал непосредственное влияние на развитие потребительских устройств вроде часов и смартфонов с алгоритмами ИИ, на изучение изменения климата за счёт усовершенствованного компьютерного моделирования и сбора данных с систем наблюдения за атмосферой по всему миру, создание дешёвых спутников. Изучение квантовых компьютеров, обнаружение молекул при помощи ИИ, поиск лекарств от старения и персональных медикаментов случились за счёт роста вычислительной мощи в руках исследователей.

Что произойдёт, когда действие закона Мура всё же подойдёт к концу? Что, если это уже произошло, и нам осталось только вслушиваться в отголоски крупнейшего технологического двигателя в истории, который уже умолк?

Покойся с миром, закон Мура

Всё кончено. В этом году это стало понятно окончательно, считает Чарльз Лейзерсон, специалист по компьютерным наукам из Массачусетского Технологического Института (MIT) и один из пионеров в области параллельных вычислений. Ввод в строй нового завода Intel, призванного производить процессоры с транзисторами минимум 10 нм, неоднократно откладывался. Поставки процессоров с него начались в 2019 году, тогда как процессоры предыдущего поколения с транзисторами 14 нм появились в 2014 году. По словам Лейзерсона, закон Мура указывал нам темпы прогресса и мы больше не успеваем за этими темпами. Другие видные учёные в последние годы также неоднократно заявляли о смерти закона Мура. Об этом же сказал в 2019 году генеральный директор компании Nvidia, которая занимается выпуском графических процессоров.

Закон Мура угасал постепенно, а не скончался скоропостижно. На протяжении десятилетий многие, иногда включая самого Гордона Мура, говорили, что видят конец этого закона и производить всё более компактные транзисторы становится всё труднее. В 1999 году исследователь из Intel выразил беспокойство, что полупроводниковая отрасль при попытках создания транзисторов меньше 100 нм к 2005 году столкнётся с фундаментальными физическими ограничениями, решения которых никто не знает. Например, это квантовый эффект нахождения электронов там, где их не должно быть.

На протяжении многих лет создатели чипов находили в себе силы обходить эти физические ограничения. Чтобы обходить ловушку электронов, создавались новые дизайны транзисторов. Новые методы литографии с применением экстремального ультрафиолетового излучения пришли на смену обычному свету, длина волны которого стала слишком большой для травления цепей толщиной в несколько десятков нанометров на пластинах кремния. Все эти достижения стоили всё дороже. Экономисты Стэнфорда и MIT посчитали, что с 1971 года стоимость исследований на поддержание закона Мура выросла на 18 порядков.

Не только исследования, но и сами заводы по изготовлению процессоров становились всё дороже. Стоимость таких заводов растёт примерно на 13% в год и к 2022 году может достигнуть или превысить $16 млрд. В результате количество компаний с планами по выпуску чипов нового поколения сократилось до трёх. В 2010 году их было восемь, а в 2002 двадцать пять.

На создание процессоров на замену современным уйдут годы исследований. Если вы беспокоитесь о том, во что превратится жизнь без закона Мура, самое время начинать паниковать.
Одной из этих трёх компаний является Intel. Она сохраняет оптимизм и в ближайшее время не ждёт похорон закона Мура. Глава полупроводниковых разработок Intel Джим Келлер, который вступил в эту должность в 2018 году, является одним из тех, кто на практике поддерживает жизнь закона Мура. Он возглавляет команду из примерно 8000 инженеров и проектировщиков процессоров. Когда Келлер пришёл в компанию, он сказал, что многие ждут прекращения действия закона Мура. Если они правы, это означает замедление развития технологий и плохое карьерное решение лично для него.

Читать также:  Квантовая запутанность на 30 милях волокна приближает появление сверхбезопасного интернета

Однако в итоге Келлер нашёл множество возможностей для дальнейшего развития. Он указывает, что в поддержании закона Мура сейчас задействованы более сотни переменных, каждая из которых имеет собственные плюсы и минусы. Значит, существует множество способов удвоения компонентов на чипе, включая инновации вроде 3D-архитектур и новых видов транзисторов.

Сейчас Келлер сохраняет оптимизм. Он говорит, что слышал о смерти закона Мура на протяжении всей своей карьеры. В итоге спустя какое-то время он перестал беспокоиться об этом. По его мнению, Intel выдержит нужные темпы на протяжении следующих десяти лет и приводит расчёты. Если 65 млрд. транзисторов в современных процессорах умножить на 32 (если плотность транзисторов на чипе будет каждые два года увеличиваться в два раза), количество транзисторов вырастет до 2 трлн. Это увеличит производительность в 30 раз. Если разработчики программного обеспечения будут достаточно умны, через 10 лет процессоры будут в сотни раз быстрее нынешних.

И всё же, даже если Intel и другие оставшиеся производители смогут выпустить ещё несколько поколений продвинутых микропроцессоров, остались в прошлом времена, когда был смысл каждые пару лет покупать новый процессор. Тогда они постоянно становились намного быстрее, энергоэкономичнее и дешевле. Только это не означает, что прогресс вычислительных устройств остановится.

Время паниковать

Экономист Нил Томпсон работает в центре CSAIL. Это подразделение MIT, которое занимается ИИ и вычислительными технологиями, где работают специалисты по робототехнике и компьютерным наукам, в том числе Лейзерсон. В своей новой статье эти двое приводят доводы в пользу существования методов повышения вычислительной производительности при помощи улучшения программного обеспечения, алгоритмов и специализированных процессорных архитектур.

Одной из возможностей является уменьшение раздутых программных функций современных чипов. Когда процессоры с каждым поколением всё быстрее и мощнее, программистам нет смысла стараться писать эффективный код. Зачастую они не пользуются всеми возможностями новых аппаратных архитектур, вроде увеличения числа ядер и процессов.

Томпсон и его коллеги показали, что они могут заставить интенсивные вычисления работать в 47 раз быстрее, просто перейдя с языка программирования Python на более эффективный язык C. Последний требует от программистов больших усилий, но значительно сокращает число необходимых операций и программы работают быстрее. Оптимизация кода под чипы с 18 вычислительными ядрами повысит скорость ещё больше. Всего за 0,41 секунды исследователи получили результат, на получение которого с применением языка Python уходило 7 часов.

Похоже, прогресс продолжится, но Томпсон беспокоиться, что в результате компьютеры постепенно перестанут быть технологией общего назначения. Закон Мура предложил доступные всем быстрые и всё более дешёвые чипы. Развитие программного обеспечения и специальных архитектур будет нацелено на конкретные проблемы и бизнес-возможности. Это будет доступно только тем, у кого достаточно денег и ресурсов.

Читать также:  10 прорывных технологий 2020 года

Переход на чипы под определённые приложения, особенно в ИИ, происходит уже сейчас. Алгоритмы глубокого обучения и другие варианты применения всё больше полагаются на графические процессоры, которые полезны не только в играх. Они способны вести параллельную обработку данных, а компании вроде Google, Microsoft и Baidu создают собственные чипы ИИ под свои нужды. ИИ, особенно глубокое обучение, обладает огромными аппетитами в плане вычислительной мощи. Специализированные процессоры могут значительно повысить скорость вычислений, считает Томпсон.

Недостатком этого станет отсутствие гибкости традиционных процессоров. Томпсон опасается, что процессорам общего назначения будет уделяться меньше внимания, из-за чего будут замедляться темпы развития компьютерных технологий в целом. Своими опасениями он поделился в статье под названием «Упадок компьютеров как технологии общего назначения».

В какой-то момент, говорит профессор инженерных наук и публичной политики в Карнеги-Меллон Эрика Фучс, разрабатываемые алгоритмы и другие приложения перестанут соответствовать принципам снижения стоимости и повышения производительности, которые заложены в законе Мура. Через 10 лет или через 30 лет, точно никто не знает, потребуются устройства с дополнительной вычислительной мощью, считает она.

По её мнению, преемники современных чипов общего назначения сейчас ещё не существуют и на одни только базовые исследования и разработку уйдут годы. Если вы беспокоитесь о том, что придёт на смену закону Мура, самое время паниковать. Она говорит, что в сегменте ИИ работают очень умные люди, которые не знают об аппаратных ограничениях, вставших на пути долгосрочного развития компьютеров. Также она считает, что поскольку чипы под специализированные приложения приносят огромную прибыль, падает мотивация инвестировать в устройства с новой логикой и новыми принципами вычислений.

План Маршалла для чипов

В 2018 году Фучс и её коллеги Хассан Хан и Дэвид Хоншелл написали статью, где проанализировали историю закона Мура и назвали основные точки, которые в первые десятилетия стали основой бурного прогресса. Они утверждают, что разделение технологических траекторий и краткосрочная частная прибыль некоторых новых направлений означают, что необходимо значительно увеличить публичные инвестиции в будущие компьютерные технологии.

Если экономисты правы и результатом роста 1990-х и 2000-х годов были микропроцессоры, а также если замедление роста производительности с середины 2000-х отражает замедление вычислительного прогресса, то следует инвестировать огромные деньги в развитие следующей технологии. Сейчас этого не происходит и это ошибка.

Нет гарантий, что эти инвестиции окупятся. Квантовые компьютеры, транзисторы из углеродных нанотрубок, даже спинтроника открывают захватывающие возможности, но не являются очевидной заменой кремниевому транзистору с возможностью поддерживать темпы развития, которые Гордон Мур увидел у простых интегральных схем. Чтобы узнать их потенциал, придётся потратить большие деньги. Но одно пророчество точно сбылось: нам всегда будет требоваться всё больше вычислительной мощи.

Отказ от ответственности: Эта статья написана только для образовательных целей. Автор или издатель не публиковали эту статью для вредоносных целей. Если читатели хотели бы воспользоваться информацией для личной выгоды, то автор и издатель не несут ответственность за любой причиненный вред или ущерб.
Показать больше в Популярная наука

Проверьте также

10 прорывных технологий 2020 года

Содержание:Неприступный интернетСверхперсональная медицинаЦифровые деньгиЛекарства против …