Закон Мура: суров, но скоро отмена

На днях американский физик и популяризатор науки Мичио Каку наделал шуму, предсказав скорое окончание действия так называемого Закона Мура. По его словам, в течение десяти лет микроэлектроника уткнётся в фундаментальные ограничения, которые не позволят более уменьшать размеры элементов на микросхемах. И к его прогнозу стоит прислушаться. Каку — личность неординарная и большой авторитет: студентом, говорят, собрал в гараже ускоритель частиц, а когда подрос, стал соавтором знаменитой теории струн. Но как много смысла в предсказании конца Закона Мура, если его регулярно отправляют на свалку истории вот уже пятьдесят лет?

Вообще говоря Закон Мура — никакой не закон, а всего лишь эмпирическое правило, сформулированное в 1965 году сооснователем Intel Гордоном Муром. В исходном виде оно звучало так: число элементов в самых современных микросхемах удваивается каждый год. Пять лет спустя с чьей-то лёгкой руки это правило получило прозвище «закона», ещё через пять Мур подправил формулу на удвоение каждые два года, а до наших дней она дошла и вовсе в извращённом виде «удвоение производительности каждые 18 месяцев».

Попутно его же пытались приспособить для описания множества других высокотехнологических тенденций, от собственно компьютерных (рост ёмкости жёстких дисков, пропускной способности сетей, количества пикселей в цифровых фотокамерах и т.п.) до имеющих к вычислительной технике очень далёкое отношение (генная инженерия, к примеру). Естественно в каждом конкретном случае период удвоения чего-либо корректировался. Как недавно с улыбкой заметил сам Мур, он и представить не мог, что его формулировку попытаются применить для описания всего, что хотя бы отдалённо напоминает экспоненциальный рост.

Можно спорить о том, чем обусловлен Закон Мура — жадностью потребителей или темпом технической эволюции. Но бесспорно у него есть как плюсы, так и минусы. Число элементов, измерявшееся в процессорах начала 70-х тысячами штук, сегодня измеряется миллиардами: гигантский скачок функциональности и скоростей! Зато и стареет вычислительная техника так же быстро, непрерывно побуждая пользователей к покупке новых компьютеров. И программисты ленятся, растрачивая новые ресурсы впустую. Факт: текстовые редакторы и электронные таблицы сегодня работают не быстрее, чем десять лет назад на десятилетней же давности «железе».

Не зная точно, кого или что следует благодарить за поддержание Закона Мура в рабочем состоянии, никто не в силах и предсказать, как долго его действие ещё продлится. По негласной традиции, заложенной самим Муром, справедливость его закона распространяют максимум на декаду вперёд. Последние же лет пятнадцать стало хорошим тоном сопровождать очередное предсказание уточнением: ничто не вечно, рано или поздно эмпирический закон столкнётся с законами природы. По мере уменьшения размера элементов на микросхемах, расстояние между ними становится слишком мало, чтобы их можно было надёжно друг от друга изолировать, а выделяемое ими тепло — слишком велико, чтобы его можно было рассеять. Таким образом граница в несколько нанометров представляется принципиально непреодолимой.

Я последний раз писал о Законе Мура восемь лет назад (см. «Закон Мура, вторая версия») и с тех пор микроэлектроника сделала несколько важных шагов для обхода вставших перед нею ограничений. Размер деталей в микропроцессорах уменьшился больше чем вчетверо, с 90 до 22 нанометров; чтобы справиться с проблемами тепловыделения и изоляции, процессоры стали делить на ядра, а транзисторы (самая важная деталь большинства микросхем) модифицировали, превратив из плоских в объёмные.

Только что попавшие на прилавки микропроцессоры Intel Ivy Bridge содержат все эти достижения: полтора миллиарда элементов, масштаб 22 нм, многоядерность, 3D-транзисторы. Intel опережает конкурентов в технологической гонке и теперь у неё есть запас прочности ещё для одного-двух витков миниатюризации (уже кипит работа над 14-нанометровыми чипами). Но посмотрите, какой ценой ей это досталось. 3D-транзисторы, позволившие уменьшить размер деталей до 22 нанометров, обкатывали в лабораториях больше десяти лет!

Чем ближе заветная граница в несколько нанометров, тем тяжелей даётся каждый новый шаг. Растёт сложность технических решений, растёт стоимость полупроводниковых фабрик, всё слабее на производительности сказывается увеличение количества элементов в микропроцессорах. При сохранении нынешних темпов, гонка завершится в течение десяти лет: проблемы отвода тепла, электрических утечек, квантовые эффекты сделают невозможным дальнейшее уменьшение размера деталей.

Судя по всему, эксафлопсные вычисления (см. «Экстремальная многоядерность в действии») станут первой полезной с практической точки зрения задачей, решить которую методами классической микроэлектроники будет сложно. Поскольку миниатюризация упрётся в физический предел, архитекторы вычислительной техники будут вынуждены наращивать мощь, увеличивая число параллельно работающих процессоров в компьютере. Но и эта дорожка далеко не уведёт (не каждую задачу можно или хотя бы стоит распараллеливать, и т.п.).

Так что же дальше? По мнению Мичио Каку, равно как и многих других технопровидцев (в частности, Рэя Курцвейля), на смену электронным компьютерам придут альтернативные системы: квантовые, молекулярные, оптические. Полупроводниковую микроэлектронику следует рассматривать в качестве промежуточного этапа в эволюции вычислительной техники, которому предшествовали механические и электромеханические калькуляторы, ламповые вычислители, и за которым последуют другие, более производительные решения. Нанеся все их на один график, наверняка можно будет применить Закон Мура и к ним.

Как на этом сыграть? Можно изучать теорию квантовых вычислений, можно подключиться к исследователям, совершенствующим молекулярные компьютеры, но самый простой и прямой способ — вложиться в бумаги компаний, которые (возможно!) станут интелами XXI века. Сигналом к старту новой компьютерной гонки будет окончание действия Закона Мура. Вот только от кого ждать сообщения, что он больше не действует?

Уж конечно не от производителей микропроцессоров. Стоит прислушаться к советам людей вроде Каку и Курцвейля. Но и оценивать ситуацию самостоятельно, обращая внимание не на количество элементов на чипе (отныне чисто маркетинговый индикатор: он продолжит расти за счёт увеличения числа ядер, слоёв и пр.), а на производительность. Ту самую, которая вроде бы должна удваиваться каждые полтора года. А по факту — давно уже этого не выполняет.

Исследователи отметили первые признаки замедления роста производительности микропроцессоров (в данном случае это почти то же самое, что и их быстродействие) ещё во второй половине 90-х, когда с более чем 50% в год показатель уменьшился примерно до 40%. А восемь лет назад случился новый перелом: рост замедлился до ежегодных 10 – 20%. Почему производительность растёт так медленно? По многим причинам, начиная с невозможности наращивать тактовую частоту микропроцессоров прежними темпами и заканчивая тем, что увеличение числа элементов более не гарантирует пропорционального увеличения скорости вычислений.

В этих условиях важно нащупать точку, когда недовольство рынка медленным приростом производительности станет достаточно сильным, чтобы сделать экономически целесообразным развитие альтернативных вычислительных систем (тех самых оптических, молекулярных и пр.). После этого в компьютерной истории начнётся новая эпоха.

закон_Мура,Intel,микропроцессор,Мичио_Каку,микроэлектроника