Moore'i seadus

Moore'i seadus põhineb arvutiriistvara ajalool ning ütleb, et mikrokiibil olevate transistoride arv kahekordistub iga kahe aasta järel. Seaduspära kannab Inteli kaasasutaja Gordon E. Moore'i nime, kes kirjeldas seda oma 1965. aastal avaldatud teadustöös. Tema ennustus on osutunud täpseks, kuigi osaliselt seetõttu, et pooljuhtide tootjad sellest ise lähtuvad. Moore'i seadust võib kirjeldada kui tehnoloogia arengut tagant sundivat seaduspära.

Kuigi Moore'i seaduse kohaselt kahekordistub transistorite arv iga kahe aasta tagant, on laialt levinud Inteli juhi David House'i levitatud arusaam, et see toimub hoopis iga pooleteise aasta ehk 18 kuu järel.

Paljude elektroonikaseadmete võimekus on tihedalt seotud Moore'i seadusega – näiteks protsessorite kiirus (taktsagedus), operatiivmälu maht ja isegi pikslite arv digikaamerate sensorites on ligikaudu eksponentsiaalselt kasvavad suurused. Elektroonika eksponentsiaalne areng on tohutult suurendanud selle mõju pea igale majandussektorile. 

Kuigi Moore'i seadus on kehtinud juba üle poole sajandi, tuleks seda käsitleda kui oletust, mitte loodus- ega füüsikaseadust. 2005. aastal ennustati, et seaduspära jääb kehtima vähemalt aastani 2015 või 2020. 2010. aastal hindas pooljuhtide tööstuse ekspertidest koosnev kolleegium International Technology Roadmap for Semiconductors, et 2013. aasta lõpus transistoride arvu ja tiheduse kasv aeglustub ning kahekordistumine toimub edaspidi iga kolme aasta järel.

Ajalugu

Mõiste "Moore’i seadus" võttis 1970. aastal kasutusele ettevõtja ja California Tehnoloogiainstituudi professor Carver Mead. Transistorite arvu kasvu kohta oli ennustusi tehtud siiski varemgi. 1950. aastal ennustas Alan Turing artiklis "Computing Machinery and Intelligence", et 2000. aastaks kasvab arvutite mälumaht umbes 109 bitini (ligikaudu 0,12 GB). Tegelikult tuli Western Digital napilt pärast tuhandivahetust välja 40 GB kõvakettaga, aasta lõpuks oli valmis juba 120 GB kõvaketas. Moore võis inspiratsiooni saada ka tänapäevase arvutihiire leitajalt Douglas Engelbartilt, kes pidas 1960. aastal loengu mikrolülituste kahandamisest. 2009. aastal The New York Timesis ilmunud artikli kohaselt avastas Engelbart transistorite arvu kasvu seaduspära juba 1959. aastal, seega mitu aastat enne Moore’i.

Moore väitis 19. aprillil 1965 ajakirjas Electronics Magazine ilmunud artiklis "Cramming more components onto integrated circuits", et transistoride arv kahekordistub iga aasta järel. Aluseks võttis ta andmed aastast 1958, mil mikrokiibid leiutati, aastani 1965. 1975. aastal pakkus Moore välja, et kahekordistumine toimub hoopis iga kahe aasta tagant. Moore on kinnitanud, et väide kahekordistumise toimumisest iga 18 kuu järel pärineb David House'ilt, kusjuures House’i ennustus käib kiipide jõudluse, mitte pelgalt transistoride kohta.

2005. aasta aprillis pakkus Intel 10 000 USA dollarit Moore'i artiklit sisaldava ajakirja originaaleksemplari eest. Tasu pälvis Ühendkuningriigis elav insener.

Sarnased seadused

Mitmete digitaaltehnoloogia komponentide areng on eksponentsiaalne analoogselt Moore'i seaduspärasusele. Sealhulgas näiteks komponentide suurus, maksumus ja kiirus. Moore’i enda väide puudutab ainult komponentidel paiknevate transistoride arvu.

Transistoride tihedus mikrokiibil. Levinuim formuleering on transistoride arvu kahekordistumine mikrokiibil iga kahe aasta järel. 1970. aastate lõpul sai Moore’i seadus tuntuks kui transistoride arvu piirnäitaja kõige keerukamatel kiipidel. Ülemiselt graafikult on näha, kuidas see trend jätkub tänapäevalgi.

Transistoride tihedus minimaalse maksumuse korral. Selle formuleeringu esitas Moore oma 1965. aasta publikatsioonis. Tuleb tähele panna, et oluline ei ole mitte ainult transistoride tihedus mikrokiibil – st kui mitu transistori on võimalik ühele kiibile mahutada, vaid transistoride tihedus kiibil, mille juures on ühe transistori maksumus väikseim. Mida rohkem transistore kiibile panna, seda odavamaks läheb iga järgneva transistori maksumus, samas suureneb võimalus, et kiip ei tööta, sest liiga suure transistoride tiheduse korral võib esineda kiibil defekte. 1965. aastal uuris Moore transistoride tihedust kiibil ning leidiski, et fotolitograafia meetod, mille abil transistore kiibile kanti, arenes nii kiiresti, et iga aasta möödudes oli võimalik transistori suurust 2 korda vähendada. Tänapäevaste fotolitograafia meetodite puhul kasutatakse madala lainepikkusega ultraviolettkiirgust (deep ultraviolet – DUV) kombineerituna eksimeerlaseriga, kasutatavad lainepikkused on 193 nm ja 248 nm. Seda tehnoloogiat kutsutakse eksimeerlaserlitograafiaks ja selle abil suudeti juba 2010. aastal valmistada mikrokiipidele komponente, mille suurused jäävad alla 45 nm, võrdluseks aastal 1990 oli väikseima komponendi suurus 500 nm. Ennustatakse sellise trendi jätkumist ning eeldatakse, et käesoleva kümnendi jooksul jõutakse komponentideni, mille suurus on 10 nm.
 
Kõvaketta maksumus informatsiooniühiku kohta. Seda iseloomustab Kryderi seadus, mis kirjeldab Mark Kryderi tööd ning selle käigus välja tulnud fakti, et kõvakettas oleva magnetketta informatsiooni mahutavus pinnaühiku kohta kasvab tänapäevaste tehnoloogiate abil väga kiiresti, pea kaks korda kiiremini Moore’i seadusest. Kryderi töö ning tema seadus avaldati esmalt 2005. aastal ajakirjas Scientific American, sel aastal suudeti magnetketta ühele ruutmillimeetrile salvestada 170 megabitti (21,25 MB) infot, võrdluseks 1956. aastal oli vastav näitaja umbes 300 bitti (0,036 kB). Seega on pärast 50-aastast arengut suudetud magnetketta ühe pinnaühiku mahutavust kasvatada ligi miljon korda.

Võrgu läbilaskevõime. Vastavalt Lucent Optical Networking Groupi endisele juhile Gerald Buttersile eksisteerib Buttersi fotoonika seadus, mis ütleb, et optilist fiibrit läbiv andmemaht kahekordistub iga üheksa kuu järel. Seega andmete ülekande maksumus optilises võrgustikus kahaneb iga üheksa kuu järel poole võrra.

Taani teadlane Jakob Nielsen on tulnud välja omanimelise Nielseni seadusega, kus ta väidab, et internetiühenduse kiirused kahekordistuvad high-end kodukasutajate jaoks iga 21 kuu tagant.

Piksleid dollari kohta. Kodakis töötav Barry Hendy arvutas välja mõõtühiku "piksleid dollari kohta", et määrata digitaalkaamera väärtust. Sellega demonstreeris ta selle ühiku ajalooliselt lineaarset kasvu (logaritmilisel skaalal) ning võimalust selle abil hinnata digikaamerate hinda ning LCD- ja LED-ekraanide arengut.

Tarkvara vs. riistvara. 1995. aastal tuli Niklaus Wirth välja Wirthi seadusega, n-ö arvutialase kõnekäänuga, mis väitis, et riistvara areng ei ole niivõrd kiire, kui seda on tarkvara aeglustumine. Sellest tulenevalt esines omapoole väitega Microsofti asutaja Bill Gates ning sõnastas Gatesi seaduse, mis väidab, et kommertsiaalselt saadav tarkvara aeglustub poole võrra iga 18 kuu järel, seega nullides Moore'i seaduse kasulikkuse. 2008. aastal katsetas Randall C. Kennedy erinevaid kontoritarkvara Microsoft Office pakette ning tõdes, et tänapäevasesse arvutisse installitud Office 2007-ga operatsioonide teostamine võtab kaks korda rohkem aega kui 2000. aasta ekvivalentse arvutikomplektiga, kuhu on installitud Office 2000.

Carlsoni kõver on seaduspära, mille tõi välja ajakiri The Economist, et kirjeldada Moore’i seaduse biotehnoloogia alast ekvivalenti. See on nimetatud Washingtoni ülikooli teadlase Rob Carlsoni järgi, kes ennustas täpselt DNA järjestamise tehnoloogiate arengukiirust. Ta pakkus, et see on vähemalt sama kiire kui Moore’i seadus. Carlsoni kõver illustreerib kiiret (mõnel juhul hüpereksponentsiaalset) kulude vähenemist ja jõudluse suurenemist mitmete DNA tehnoloogiate jaoks.

Sihiks tööstusele

Kuigi Moore’i seadus tulenes olemasoleva protsessi vaatlusest ning selle baasil tehtud ennustusest, siis mida enam hakkas maailm seda aktsepteerima, seda enam sai sellest pooljuhtide tööstuse eesmärk. See tähendab, et terve tööstusharu seadis ühe empiirilise seaduspära endale sihiks ning kasutas tohutuid ressursse selleks, et seda täita. Seetõttu võib öelda, et Moore'i seadus on mõneti isetäituv ennustus.

Moore'i teine seadus

Moore'i seaduse üheks tulemiks on see, et üha võimsamad arvutid muutuvad lõpp-tarbija jaoks odavamaks ja kättesaadavamaks. Samas tootjate jaoks on Moore'i seaduse järgimine ja aina võimsamate arvutite tootmine üha kallim ja keerulisem. See on viinud teise Moore'i seaduse ehk Rocki seaduse kujunemiseni. Ehkki seda on maininud Gordon E. Moore 1990. aastate keskel, on selle autoriks tegelikult Arthur Rock, üks varajasi Inteli investoreid. Rock pani tähele, et kiipide tootmiseks vajaliku varustuse ja seadmete maksumus on pidevas tõusus. Seadus ütleb, et pooljuhtkiipide tehaste maksumus kahekordistub iga nelja aasta tagant ehk kapitalikulu pooljuhtkiipide tehastele kasvab ajas eksponentsiaalselt, teisisõnu läheb uute ja võimsamate kiipide tootmine üha kallimaks, kuna tehnoloogia muutub keerukamaks ning väiksemaks. Selle loogika järgi oleks pidanud mikrokiibi tehas maksma 1990. aastate lõpus ligi 5 miljardit ja 2003. aastaks 10 miljardit USA dollarit. Kuid päris nii ei ole läinud. Näiteks Inteli viimane Fab 42 nime kandev tehas, mis on 2013. aastal veel ehitusjärgus, nõudis umbes 5 miljardi USA dollarit suurust investeeringut. Rocki seadus paneb rõhu tootmissisendite maksumusele, kuid jätab arvestamata tööefektiivsuse kasvu. Ränivahvlite (silicon wafer) tootmise tootlikkus on olnud pidevas kasvutempos, praegu valmistatakse tunnis 4–5 korda rohkem ränivahvleid kui 1990. aastate alguses. Seega võibki tehaste maksumus suureneda, oluline on see, et tootmine selle investeeringu ka ära tasub.

Peamised soodustavad tegurid ja tulevikutrendid

Moore'i seaduse eelduseks on olnud paljude teadlaste ja inseneride töö ning leiutised. Absoluutset eelduste nimekirja on keeruline koostada, kuid järgnevalt on välja toodud mõned olulised läbimurded, mis on mänginud kriitilist rolli mikroskeemide kiires arengus:

 Mikrokiibi leiutamine, millega said hakkama Jack Kilby Texas Instrumentsist ja Robert Noyce Fairchild Semiconductorist. Kusjuures 2000. aastal pälvis Kilby leiutise eest Nobeli füüsikaauhinna.
 CMOS ehk komplementaarse metalloksiid-pooljuhi leiutamine Frank Wanlassi poolt 1963. aastal. Paljud CMOS-tehnoloogia arengud võimaldavad valmistada tänapäevaseid suure jõudlusega mikrokiipe.
 Dünaamilise muutmälu ehk DRAM-i leiutamine Robert Dennardi poolt IBM-is 1967. aastal.
 Madala lainepikkusega UV-eksimeerlaserfotolitograafia leiutamine Kanti Jaini poolt IBM-is 1982. aastal. Selle tehnoloogia abil on võimalik valmistada üliväikseid mikrokiibi etaile. 2012. aastal jäid nende detailide mõõtmed 22 nm juurde. Ennustatakse, et sellel kümnendil suudetakse valmistada detaile, mille mõõtmed jäävad alla 10 nm.
Arvutikomponentide tööstus ennustab Moore’i seaduse jätkumist veel mitme mikrokiipide generatsiooni jooksul. Näiteks Intel ennustas 2008. aastal, et praegune trend võib jätkuda hea majandusliku olukorra puhul kuni 2029. aastani.

Mõned uued arengusuunad, mis võimaldavad Moore’i seadusel jätkuda:

 IBM ja Georgia Techi teadlased tegid uue kiirusrekordi, kui nad heeliumis jahutatud (−268,65 °C) räni/germaaniumi transistori kiirendasid 500 gigahertsini. Simulatsioonid näitasid, et antud transistor oleks võinud töötada isegi 1 terahertsisel (1000 GHz) sagedusel. Kuid peab silmas pidama, et katse leidis aset ülimadalal temperatuuril üheainsa transistoriga. Võrdluseks, tänapäevase laiatarbe arvuti taktsagedus jääb 2–3 gigahertsi juurde.
 2008. aasta aprillis teatasid HP teadlased töötavast memristorist, mis on neljas põhiline passiivne vooluelement, mille varasem eksistents oli puhtteoreetiline. Memristori unikaalsete omaduste abil saab luua väiksemaid ja võimsamaid elektroonikaseadmeid.
 2011. aasta aprillis teatasid USA Pittsburghi ülikooli teadlased oksiididel baseeruvast 1,5 nm diameetriga üheelektronilise transistori loomisest.
 2012. aasta veebruaris teatas Uus-Lõuna-Walesi ülikooli teadusgrupp esimese üheaatomilise transistori arendusest. Antud transistoris paigutub üksik aatom täpselt ränikristalli. Moore'i seaduse järgi oleks pidanud selline saavutus aset leidma alles 2020. aastal.
 Nanotehnoloogia areng, mis viiks väiksemate komponentide loomiseni.

Seaduse lõplik piir
1995. aasta jaanuaris oli 64-bitisel oma aja tipp-protsessoril Digital Alpha 21164 9,3 miljonit transistori. Kuus aastat hiljem loodi protsessor 40 miljoni transistoriga. Aastaks 2015 peaks see arv teoreetiliselt jõudma 15 miljardini ning 2020. aastaks tasemeni, kus iga molekul paigutatakse kiipi individuaalselt.
2003. aastal ennustas Intel, et Moore'i seaduse lõpp jõuab kätte aastatel 2013–2018, kui kasutusel on 16-nanomeetriste kiipide tootmisprotsessid ning transistorid lähevad mõõtmetelt nii väikesteks, et edasist vähendamist piiravad kvantnähtused, näiteks tunnelleerumine. Tänaseks on Intel jõudnud 22 nm protsessorite tootmiseni ning elektronide tunnelleerumise vältimiseks on valmistatud nn 3D- ehk mitmepaisulised transistorid. Intel vihjab vastavas pressiteates Moore'i seadusele ning on näha, et püüab järjepidevalt selle seadusega kaasas käia.

13. aprillil 2005 aset leidnud intervjuus väitis Gordon Moore, et Moore'i seadus ei saa jätkuda lõpmatult. Ta märkis, et transistoride suurus jõuab lõpuks teatud piirini, kust enam pole võimalik edasi minna.Tema arvates on selleks fundamentaalseks piiriks aatomtasand ehk aatomite suurus, kuid selleni jõudmiseks läheb veel 10–20 aastat, mille järel on lahenduseks suuremate kiipide valmistamine.
Samas on selle seaduse teel juba praeguseks olnud palju takistusi, kuid need on suudetud ületada. Gordon Moore lisab, et selles mõttes on tema seadus ilusam, kui ta kunagi varem oleks osanud arvata: "Moore'i seadus on Murphy seaduse täielik rikkumine, kõik läheb aina paremaks ja paremaks."

Viited

Välislingid 
 Villu Päärt. "Kas Moore'i seadus kehtib ka teaduses?" Novaator, 23. september 2010

Infotehnoloogia