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La loi de Moore : quand s’arrêtera-t-elle ?
Cet article décrit la loi de Moore telle qu’elle a été formulée en 1965 par Gordon Moore (co-fondateur de Intel), ses reformulations et ses multiples interprétations. Cela permet ensuite de se poser la question de savoir jusqu’à quand cette loi va durer, car toute exponentielle est condamnée à s’arrêter une fois.
This paper describes Moore’s Law, as it was phrased in 1965 by Gordon Moore (Intel cofounder) including its modifications and interpretations. The big question is to determine when this Moore’s Law will stop, as any exponential cannot exist for ever.
Christian PIGUET
San Francisco, février 2003, à la plus grande conférence mondiale sur les circuits intégrés, les petites puces qui se trouvent dans vos appareils électroniques, Gordon Moore s’avance, la démarche plus très assurée, grandes lunettes, suivi très respectueusement par les grands pontes du comité d’organisation. 4000 personnes, moi y compris, observent. Grand silence : c’est lui, il arrive. Respect, admiration, le grand, le célèbre Gordon Moore, celui qui a énoncé la loi de Moore, va s’adresser à l’assemblée pour évoquer ce fameux article de 1965, paru dans un obscur journal dont Intel recherche aujourd’hui activement l’original. Moore y avait prédit le doublement du nombre de transistors par puce, comme on le pense habituellement aujourd’hui, tous les deux ans.
De quoi parle-t-on au juste ?
En 1947, à Bell Labs, William Shockley invente avec deux autres chercheurs les transistors, minuscules interrupteurs qui donnent vie aux puces. Il fonde alors une compagnie à Palo Alto, en Californie, qui marque les débuts de la Silicon Valley. Il engage le jeune Gordon Moore, qui le quittera bien vite pour fonder Fairchild avant d’être ensuite un des co-fondateurs d’Intel.
En 1965, encore à Fairchild, il écrit ce célèbre article de quatre petites pages dans Electronics, Vol. 38, No 8, 19 avril 1965. Et c’est là que le mythe commence : cet article prédit un doublement du nombre de transistors non pas tous les deux ans, comme on le dit aujourd’hui, mais chaque année. En 1965, on pouvait fabriquer des circuits de quelques 50 ou 60 transistors ; on aurait ainsi eu, selon Moore, 65’000 transistors par puce en 1975 avec un doublement chaque année.
Cette loi se vérifie assez bien jusqu’en 1970, en particulier pour les puces mémoires, plus denses que les microprocesseurs. Mais le premier microprocesseur de Intel, le 4004 fabriqué en 1971, ne comporte que 2000 transistors, et en 1976, le microprocesseur Intel 8085 n’en comporte que 6’000, relativement loin des 65’000 prédits. En suivant cette loi de doublement chaque année, on devrait avoir aujourd’hui des puces de 2 millions de milliards de transistors, ce qui n’est évidemment pas le cas, puisqu’un microprocesseur moderne comporte aujourd’hui un peu plus de deux milliards de transistors !
Déjà en 1970, il apparaît clairement qu’on n’observe un doublement du nombre de transistors par puce que tous les 18 mois, et quelques années après, selon une période de 2 ans. Ce qui est tout à fait intéressant, c’est que l’on continue de parler de la loi de Moore, même en corrigeant son contenu ! Évidemment, Gordon Moore est alors un des co-fondateurs et patron de Intel, numéro un des microprocesseurs, et selon le vieil adage : on donne à ceux qui ont déjà. Même dans les articles scientifiques les plus sérieux, lorsque la loi de Moore est citée, on trouve tantôt un doublement tous les 18 mois, sorti on ne sait d’où, tantôt tous les 2 ans, et plus personne ne se rappelle vraiment ce qu’a dit Moore en 1965. D’ailleurs, Moore lui-même reconnaît qu’il avait bien prédit une année en 1965, n’avait jamais parlé de 18 mois, mais bien de 2 ans par la suite. Il ne manquait d’ailleurs pas d’ironiser : « La loi de Moore est finalement donnée à tout ce qui est exponentiel, et si Gore a inventé Internet, moi j’ai inventé l’exponentielle ! ». Finalement, en observant le nombre de transistors des microprocesseurs de Intel, un doublement chaque année jusqu’en 1970, puis un doublement tous les 2 ans depuis cette date, se montre assez correct. Les plus gros microprocesseurs en 2010 comportent en effet un peu plus de deux milliards de transistors. Et les prédictions pour les quinze prochaines années font état de puces de 70 milliards de transistors en 2024.
Mais qu’a donc dit Gordon Moore lors de cette conférence à San Francisco en 2003 ? Toujours un peu ironique, il a affirmé que sa loi serait encore valable pour la présente décennie, mais que l’on peut toujours retarder le moment où une exponentielle s’arrête. Mais il est évident qu’un doublement chaque 2, 3 ou même 10 ans du nombre de transistors sur une puce ne peut durer éternellement. La question cruciale est donc de savoir quand cela va s’arrêter. Ou de savoir si d’autres éléments, analogues à des transistors, issus des nanotechnologies, vont plutôt remplacer ceux-ci.
À la première question, les prédictions actuelles répondent que la microélectronique (transistors en silicium) a encore de beaux jours devant elle. Il est certain qu’il y a de formidables problèmes techniques à résoudre, comme la consommation d’énergie électrique. En effet, la densité de chaleur sur une minuscule puce de microprocesseur atteint celle d’un réacteur nucléaire. Les interconnexions de milliards de transistors posent aussi de graves problèmes : il y a 8 à 10 couches de connexions métalliques les unes sur les autres, mais le temps de transmission des signaux sur ces fils devient trop grand par rapport à la vitesse exigée des microprocesseurs. Il y a beaucoup de travaux de recherche pour empiler des puces les unes sur les autres dans la 3e dimension pour éviter des interconnexions trop longues. Un autre problème est le coût de fabrication des puces et des fonderies qui les produisent, ce qui pourrait être un frein significatif à la microélectronique. Néanmoins, les prédictions jusqu’en 2024 suivent toujours la loi de Moore, simplement parce que les puces actuelles contiennent plusieurs coeurs de processeurs travaillant en parallèle. L’effort de conception pour copier/coller plusieurs coeurs sur une seule puce est assez petit. Par contre, la répartition des tâches logicielles sur plusieurs coeurs est un problème très difficile. Néanmoins, la loi de Moore ne pourra pas durer éternellement : il y aura forcément un grand ralentissement au doublement du nombre de transistors par puce, lorsque l’on approchera des 10 nm, puis une saturation. Cela ne signifiera nullement la mort de la microélectronique. Combien d’industries sont florissantes même avec des progrès technologiques à peu près inexistants ; l’industrie des montres mécaniques en est le plus parfait exemple.
À la deuxième question, soit l’émergence des nanotechnologies, il est encore plus difficile de formuler une réponse pour les prochaines décennies. Des nano-éléments, de l’ordre de quelques nanomètres, analogues à des transistors ou des interrupteurs, ont déjà été fabriqués avec succès. On a même fabriqué de petits circuits réalisant des fonctions très simples basés sur des nano-éléments qui s’interconnectent par auto-assemblage, que ce soient des nanotubes de carbone, des interrupteurs moléculaires ou des automates quantiques. Il faut quand même souligner qu’en 2024, les transistors issus de la microélectronique auront des dimensions d’une dizaine de nanomètres, et donc qu’ils entreront aussi dans ce domaine des nanotechnologies. Le plus intéressant est que ces nano-éléments seront si petits que les électrons, grains qui forment le courant électrique, pourront presque se compter un à un, et que les effets quantiques vont intervenir à cette échelle.
Comme le soulignait le célèbre physicien Richard Feymann : « il y a plein de place en bas », soit dans l’infiniment petit. Ainsi la loi de Moore pourrait trouver une seconde jeunesse avec des puces comportant des centaines de milliards de nano-éléments. Il est par contre peu vraisemblable que l’on puisse concevoir des circuits basés sur ces nano-éléments comme l’on conçoit nos microprocesseurs actuels. En effet, pour ces derniers, on suit un plan, débutant par l’établissement des spécifications du circuit, puis par les moyens de les satisfaire ; c’est une méthode définie de haut en bas, comme quand on construit des maisons ou des ponts. Pour les nano-éléments, c’est l’inverse : on les fabrique d’abord ; ils sont auto-assemblés plus ou moins au hasard, et ensuite on détermine si ce que l’on a fabriqué est capable de réaliser une fonction intelligente. C’est un peu similaire à l’évolution dans le monde du vivant, une méthode définie de bas en haut. Il est donc probable que les éventuelles puces basées sur des nano-éléments seront totalement différentes de celles d’aujourd’hui, et seront loin de réaliser les mêmes fonctions. Peut-être ces futures puces auront-elles plutôt des fonctions analogues à celles du cerveau, caractérisées par une immense redondance.
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