Mooren laki

Mooren laki on havainto transistorien määrän kasvamisesta mikropiirillä.

Fairchild Semiconductorilla työskennellyt Gordon Moore julkaisi vuonna 1965 artikkelin Cramming more components onto integrated circuits, jossa hän havaitsi komponenttien optimaalisen hinnan laskeneen kymmenesosaan kolmessa vuodessa niiden optimaalisen määrän kasvaessa samassa suhteessa kymmenkertaisesti. Tämä johti päätelmään, että vuoteen 1975 mennessä  (kuten transistoria) sisältävä mikropiiri ei maksaisi enempää kuin sata komponenttia sisältävä piiri artikkelin julkaisuhetkellä. Transistorien pienenemisen myötä ne kuluttivat vähemmän virtaa ja toimivat nopeammin. 

Mooren havainto perustui tuplaantumiseen vuosittain. Myöhemmin Intelin perustamisen jälkeen Moore korjasi havaintoaan tuplaantumiseksi kahden vuoden välein.
Toisinaan aikaväliksi mainitaan 18 kuukautta, joka on peräisin Mooren Intel-kollegalta David Houselta ja ottaa huomioon myös transistorien tehokkuuden kasvun ennustettaessa laskentatehon kasvua (johon myös muut tekijät vaikuttavat).

Mooren arviosta tuli itseään toteuttava ennustus, kun se otettiin haasteena julkaista vuosittaisia edistysaskeleita "lain" mukaan.
Mooren havainto on pitänyt paikkansa noin 40 vuoden ajan. Kehitys on kuitenkin hidastunut.

Alkuperäisen Mooren lain mukaan transistorien määrä kasvoi kustannusten pysyessä vakiona, mutta sitä on sekoitettu suorituskyvyn kehittymiseen koska pienempi transistori myös vaihtaa tilaa nopeammin. Dennard-skaalaus on havainto, että jännite ja virta ovat suhteessa transistorin kokoon, jolloin transistorin pienentäminen vähensi myös tarvittavaa virtaa ja jännitettä.

Edistysaskeleet elektroniikassa ylipäätään ovat vahvasti seuranneet lain kuvaamaa kehitystä, aina muistinkasvusta älypuhelinten kehittymiseen. Elektroniikkateollisuudella taas on ollut merkittävä osuus maailmantalouden kasvussa aina 1900-luvun lopulta alkaen, joten laki on sitäkin kautta tärkeä kehityksen kuvaaja. 

Teoreettisena rajana komponenttien koolle on pidetty atomien kokoluokkaa, mutta kvantti-ilmiöiden mukanaan tuomat haasteet alkavat jo 5–7 nanometrin kokoluokassa. 

Vuonna 2004 löydetty grafeeni voi jatkossa mahdollistaa huomattavasti pienemmät mikropiirit.

Historia 

Vuonna 1965 Gordon Moore työskenteli Fairchild Semiconductorilla ja kirjoitti artikkelin transistorien käytöstä integroiduilla piireillä. Artikkeli julkaistiin 19. huhtikuuta 1965 Electronics-lehdessä. Artikkeli tarkasteli integroidun elektroniikan kehitystä ja ekstrapoloi trendin jatkumista vuoteen 1975.

Artikkelissaan Moore teki useita ennustuksia. Hän ennusti esimerkiksi, että: 
 tietokoneiden tehot kasvaisivat
 tietokoneiden tuotantohinta tulisi laskemaan
 mikropiirejä levitettäisiin laajemmin tietokoneisiin
 mikropiirien määrä kasvaisi tietokoneissa

Carver Mead ryhtyi kutsumaan Mooren ennakoimaa kehitystä Mooren laiksi.

Gordon Moore ei ollut ensimmäinen, joka sai tämänkaltaisen idean. Douglas Engelbart julkaisi artikkelin "Microelectronics, and the Art of Similitude", jossa hän teki samankaltaisia havaintoja. Vuonna 1960, mikropiirien alkuaikoina, hän esitteli ajatuksiaan luennolla. Moore oli ollut paikalla yleisössä.

Gordon Moore on tehnyt merkittävän uran transistoreiden ja mikropiirien kehittämisen parissa, minkä seurauksena häntä on muistettu useilla merkittävillä palkinnoilla. Hän on saanut muun muassa IEEE:n (kansainvälinen elektroniikka- ja sähköinsinöörijärjestö) kunniamitalin sekä Yhdysvaltojen teknologia- ja innovaatiomitalin George W. Bushin myöntämänä. Moore oli vuonna 1957 mukana perustamassa transistoreiden ja mikrosirujen valmistamiseen erikoistunutta Fairchild Semiconductoria.

Mooren toinen laki 

Gordon Mooren itsensä mukaan monia asioita on nimitetty "Mooren toiseksi laiksi", mutta kunnia niiden keksimisestä ei kuulu hänelle.

Voidaan olettaa, että mikropiirien pienentyessä niiden valmistamisen hinta tulee eksponentiaalisesti kasvamaan. Niiden valmistuskustannukset kaksinkertaistuvat joka neljäs vuosi. Tämä aiheuttaa ns. käänteisen efektin Mooren laille. Vaarana on se, että jos jokin yritys saa monopoliaseman markkinoilla, se pystyy määrittämään tähtitieteellisen hinnan komponentille. Tähän mennessä piirivalmistus on kuluttajien onneksi pysynyt useammalla yrityksellä.

Mooren lain nykyhetki ja tulevaisuus 

2010-luvulle tultaessa useat tahot ovat alkaneet ennustaa kehityksen hidastumista ja Mooren lain päättymistä tämän tai seuraavan vuosikymmenen aikana. 

Niihin kuuluu Gordon Moore itse, joka vuonna 2010 arvioi, että hänen kuvaamansa kehityksen päätepiste saavutetaan vuosien 2020–2030 välillä.

Puolijohdeteollisuuden asiantuntijoiden dokumenteista koostettu ITRS:n vuoden 2010 raportti ennusti kasvuvauhdin siirtyvän lähemmäksi kolmea vuotta vuoden 2013 tienoilla. Prosessorivalmistaja AMD:n pääsuunnittelija John Gustafson esitti vuonna 2013, että Mooren laki kestää enää kymmenen vuotta. 

Vuonna 2015 Intelin silloinen toimitusjohtaja Brian Krzanich sanoi: ”Viimeisimmät kaksi teknologiasiirtymää ovat osoittaneet, että kehitysvauhti on lähempänä kahta ja puolta kuin kahta vuotta” (viitaten 22 nm:n ja 14 nm:n päivityksiin vuosilta 2012 ja 2014). Useiden myöhästymisten jälkeen Intelin 10 nm -teknologiaan pohjautuvien prosessoreiden massatuotannon odotetaan alkavan vuonna 2019.

Kvantti-ilmiöiden ja jännitehäviöiden yleistyminen 7/5 nm:n kokoluokassa hankaloittaa kutistumista entisestään, ja tätä pidetään merkittävänä haasteena Mooren lain jatkumisen kannalta.

Koko ajan on kuitenkin kehitteillä uusia transistoriteknologioita, joissa osassa korvataan pii jollain uudella, tehokkaammalla raaka-aineella, kuten molekyyli- ja DNA-pohjaisissa transistoreissa. Myös yksittäisen atomin ja jopa yksittäisen elektronin mahdollisuutta toimia transistorina tutkitaan. Vuonna 2012 kehitettiin teknologia, jolla peräti vain yhden atomin kokoisia transistoreja voisi tuottaa massoittain, tosin toistaiseksi vain -200 asteen lämpötilaan. IBM:n tutkijat onnistuivat vuonna 2017 databitin tallentamisessa yhteen atomiin. Näiden menetelmien tutkiminen on kuitenkin alkuvaiheessa, joten on hyvin vaikea sanoa, mikä niistä kantautuu massatuotettujen prosessorien teknologiaan.

2016 Intelin teknologiajohtaja William Holt esitti, että Mooren laki on lakkaamassa, kun Intel keskittyy lähitulevaisuudessa suoritinten energiatehokkuuden parantamiseen laskentatehon asemesta uusien valmistumenetelmien kehityksessä. Laskentateho saattaisi hetkellisesti jopa vähetä uusien valmistustekniikoiden myötä. Wattia kohden laskentatehoa olisi kyllä enemmän kuin perinteisillä piipohjaisilla ratkaisuilla, mutta kokonaissuorituskyky olisi ainakin aluksi huomattavasti perinteisiä suorittimia heikompi.
Maaliskuussa 2016 Intel ilmoitti yhtiön päätöksestä hidastaa uuden mikropiiriteknologiansa julkaisutahtia.

Vaikka Mooren lain kuvaama mikropiirien komponenttimäärän kasvu hidastuisi, on silti mahdollista, että loppukäyttäjälle tuotettu laskentateho pysyisi silti kasvussa esimerkiksi tietokoneen kokonaisarkkitehtuuria tehostamalla. Vuonna 2016 ITRS esitteli niin kutsutun ”More Moore” -tulevaisuusstrategian, jossa mikropiiriteknologian kehitystyö palvelisi entistä enemmän sovellusten tarpeita, kuin keskittyisi vain komponenttimäärään kasvattamiseen. Sovelluskirjo vaihtelee esineiden internet (IoT) -laitteista älypuhelimiin ja datakeskuksiin sekä tekoälyn tarpeisiin.

Kellotaajuuden kasvattaminen tarjosi pitkän aikaa nopeutusta ohjelmille, mutta tämän kehityksen hyydyttyä kehitys on siirtynyt suurempaan rinnakkaisuuteen ja tämä vaikuttaa myös ohjelmistojen kehitystapaan. Valmistajat ovat panostaneet moniprosessointiin moniytimisiä suorittimia kehittämällä.

AMD:n Mark Papermaster on arvioinut vuonna 2022, että uusi transistoriteknologia jatkaa kehitystä vielä kuudesta kahdeksaan vuotta, mutta kustannukset kasvavat.

Katso myös 
 Puolijohdeteollisuus
 Dennard-skaalaus

Lähteet

Aiheesta muualla 

 Cramming more components onto integrated circuits (PDF) 
Intelin sivu Mooren laista (Sisältää 1965 julkaistun alkuperäisen kirjoituksen). 
Mooren lakilaskuri 
 The Lives and Death of Moore's Law 

Tietojenkäsittelyteoria
Puolijohdeteollisuus
Seulonnan keskeiset artikkelit