Mooren laki: transistorien kaksinkertaistuminen ja vaikutukset
Mooren lain mukaan integroitujen piirien transistorien määrä kaksinkertaistuu noin joka toinen vuosi. Tulkintoja on ollut useita: esimerkiksi Intelin johtohenkilö David House sanoi ajanjakson olevan "18 kuukautta", ja hän ennusti tuon ajanjakson sirujen suorituskyvyn kaksinkertaistuvan, kun otetaan huomioon sekä transistorien määrä että niiden nopeus. Käytännössä lauseke on toiminut enemmänkin teknologisena ohjenuorana tai ennusteena kuin luonnonlaiksi: se kuvaa trendiä, jonka avulla puolijohdealalla on asetettu tavoitteita ja mitattu edistystä.
Laki on nimetty Intelin perustajan Gordon Mooren mukaan, joka kuvasi trendin vuonna 1965 julkaistussa artikkelissaan. Kirjoituksessa todettiin, että integroitujen piirien komponenttien määrä oli kaksinkertaistunut joka vuosi integroidun piirin keksimisestä vuonna 1958 vuoteen 1965 asti, ja ennustettiin, että suuntaus jatkuisi "ainakin kymmenen vuoden ajan". Hänen ennusteensa on osoittautunut pitkällä aikavälillä hyvin paikkansapitäväksi, vaikka ajanjaksot ja tulkinnat ovat muuttuneet vuosikymmenten saatossa. Lakia käytetään puolijohdeteollisuudessa ohjaamaan pitkän aikavälin suunnittelua ja asettamaan tavoitteita tutkimukselle ja kehitykselle.
On tärkeää erottaa toisistaan transistoritiheyden kasvu, suorituskyvyn parantuminen ja kustannustehokkuus. Alun perin Mooren lain käytännön vaikutus näkyi paitsi transistorien määrän kasvuna myös transistorien pienenemisen myötä alentuneina kustannuksina per yksikkö. Tätä täydensi Dennardin skalauksen idea (1970-luvulta), jonka mukaan myös virrankulutus ja jännite skaalautuivat transistorien kutistuessa, mahdollistaen tehokkaammat ja nopeammat piirit. Kun Dennardin skalauksen periaatteet alkoivat murentua 2000-luvun puolivälin jälkeen, suorituskyvyn kasvu ei enää seurannut automaattisesti transistoritiheyden kaksinkertaistumista, ja teollisuus siirtyi mm. moniydintekniikoihin.
Monien digitaalisten elektroniikkalaitteiden ominaisuudet ovat vahvasti sidoksissa Mooren lakiin: prosessointinopeus, muistikapasiteetti, anturit ja jopa pikselien määrä ja koko digitaalikameroissa. Kaikki nämäkin paranevat (suunnilleen) eksponentiaalista vauhtia, mikä on mahdollistanut nykyaikaisen mobiililaskennan, pilvipalvelut, tekoälyn ja edullisen kulutuselektroniikan leviämisen.
Tämä räjähdysmäinen kehitys on lisännyt huomattavasti digitaalielektroniikan vaikutusta maailmantalouteen. Mooren laki kuvaa 1900-luvun lopun ja 2000-luvun alun teknologisen ja yhteiskunnallisen muutoksen liikkeellepanevaa voimaa: halvempia ja tehokkaampia laskentayksiköitä on voitu sijoittaa yhä useampiin sovelluksiin ja laitteisiin.
Suuntaus on jatkunut yli puoli vuosisataa, mutta sen nopeus on vaihdellut. Intel totesi vuonna 2015, että kehitysvauhti on hidastunut, ja Intelin toimitusjohtaja Brian Krzanich ilmoitti, että "nykyään tahti on lähempänä kahta ja puolta vuotta kuin kahta vuotta". Viime vuosina transistoritiheys on yhä kasvanut, mutta samalla valmistusprosessit ovat monimutkaistuneet ja valmistuskustannukset räjähtäneet, mikä on muuttanut alan dynamiikkaa.
Teknisiä ja taloudellisia rajoitteita, jotka ovat hidastaneet Mooren lain toteutumista, ovat muun muassa:
- Fysikaaliset rajat: puolijohdeominaisuudet, kvanttivaikutukset ja elektronien vaeltaminen rajaavat yksittäisten transistorien pienenemistä.
- Lämpö ja virrankulutus: vaikka transistorit pienenevät, tehotiheys voi nousta ja jäähdytys sekä energiatehokkuus muodostuvat ongelmiksi.
- Interconnect-ongelmat: johteiden ja liitäntöjen viiveet rajoittavat kellotaajuuksien nostamista.
- Kustannus: uusien valmistusteknologioiden (esim. EUV-litografia, monitasoiset prosessit) kehitys ja laitteistot ovat erittäin kalliita, mikä keskittää tuotantoa ja nostaa kehityskynnystä.
Vastaus näihin haasteisiin on ollut monimuotoinen. Puolijohdeteollisuus on kehittänyt uusia lähestymistapoja, kuten korkeak-lohkolevyt ja metalliohjaimet (high-k/metal gate), 3D-rakenteita kuten FinFET ja uudemmat Gate-All-Around (GAA) -transistorit, sekä siirtynyt moniydintekniikoihin, erikoistuneisiin kiihdyttimiin (GPU:t, TPU:t) ja järjestelmäpaketointiin (chiplet-arkkitehtuurit ja 3D-stacking). Litografiateknologian kehitys, erityisesti EUV (Extreme Ultraviolet) -valotus, on mahdollistanut edistyneemmät prosessisolmut kuten 7 nm, 5 nm ja 3 nm, vaikka nämä nimitykset sisältävät myös markkinoinnillisia elementtejä eikä suoraa yhdenmukaisuutta tiheyden kanssa.
Myös järjestelmätason skaalautuminen on saanut yhä suuremman roolin: koska yksittäisen transistorin nopeuden kasvattaminen ei ole enää niin helppoa ja edullista, kehitetään arkkitehtuureja, ohjelmistoja ja verkoistamista, joiden avulla kokonaissuorituskyky nousee. Tämä näkyy mm. rinnakkaisissa laskentamalleissa, erikoistuneissa piiriratkaisuissa tekoälylle sekä pilvi- ja reunalaskennan yhdistämisessä.
Mooreen lain merkitys ei ole pelkästään tekninen vaan myös taloudellinen ja yhteiskunnallinen. Se on vaikuttanut tutkimus- ja tuotekehitysinvestointeihin, elektroniikkateollisuuden kansainväliseen kilpailuun ja globaaliin arvoketjuun. Toisaalta jatkuva nopea skaalautuminen on myös lisännyt elektroniikkatuotannon ympäristövaikutuksia ja nostanut kysymyksiä kestävistä valmistusketjuista.
Yhteenvetona voidaan todeta, että vaikka perinteinen tulkinta Mooren laista (transistorien kaksinkertaistuminen tietyllä vakiojaksolla) on hidastunut ja kohtaa sekä teknisiä että taloudellisia rajoitteita, sen perusajatus — jatkuva parannus laskentatiheydessä ja kustannustehokkuudessa — on edelleen teollisuuden kehitystä ohjaava periaate. Nykyään "Moorea" tarkastellaan laajemmassa kontekstissa: ei vain yksittäisen transistorin mittakaavassa, vaan myös arkkitehtuurisen innovaation, järjestelmätason optimoinnin ja tuotantoteknologian yhdistelmänä, jotka yhdessä määrittävät laskennan tulevaa kehitystä.
Suoritinprosessorin transistorien lukumäärän ja käyttöönottoajankohdan välinen kuvaaja. Pystysuora asteikko on puolilogaritminen; viiva vastaa eksponentiaalista kasvua, jossa transistorien määrä kaksinkertaistuu kahden vuoden välein.
Osborne-kannettava tietokone vuodelta 1982 ja Apple iPhone vuodelta 2007. Osborne Executive painaa 100 kertaa enemmän, on tilavuudeltaan lähes 500 kertaa suurempi, maksaa noin 10 kertaa enemmän (inflaatiokorjattuna) ja sen kellotaajuus on 1/100 puhelimen kellotaajuudesta.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on Mooren laki?
V: Mooren lain mukaan integroitujen piirien transistorien määrä kaksinkertaistuu noin joka toinen vuosi.
K: Kuka ennusti tämän ajanjakson sirujen suorituskyvyn kaksinkertaistumiselle?
V: Intelin johtohenkilö David House ennusti sirujen suorituskyvyn kaksinkertaistumisen tälle ajanjaksolle.
K: Milloin suuntaus kuvattiin ensimmäisen kerran?
V: Intelin perustaja Gordon Moore kuvasi suuntauksen ensimmäisen kerran vuonna 1965 julkaistussa artikkelissaan.
K: Kuinka tarkka ennuste on ollut?
V: Ennuste on osoittautunut erittäin tarkaksi, ja sitä on käytetty ohjaamaan pitkän aikavälin suunnittelua ja asettamaan tavoitteita puolijohdeteollisuuden tutkimukselle ja kehitykselle.
K: Mitä vaikutuksia Mooren lailla on digitaaliseen elektroniikkaan?
V: Mooren lain ansiosta prosessointinopeus, muistikapasiteetti, anturit ja jopa digitaalikameroiden pikseleiden määrä ja koko ovat kaikki parantuneet eksponentiaalisesti, mikä on lisännyt huomattavasti digitaalielektroniikan vaikutusta maailmantalouteen.
K: Kuinka kauan tämä suuntaus on jatkunut tähän mennessä?
V: Tämä suuntaus on jatkunut yli puoli vuosisataa.
K: Onko viime aikoina tapahtunut muutoksia siinä, kuinka usein komponentit kaksinkertaistuvat integroiduissa piireissä ?
V: Kyllä - Vuonna 2015 Intel totesi, että kehitysvauhti oli hidastunut, ja toimitusjohtaja Brian Krzanich ilmoitti, että "nykyisin kehityksemme tahti on lähempänä kahta ja puolta vuotta kuin kahta".
