Moore’i seadus: Inteli nägemus

Toome teieni katked IT-maailma aluseks oleva Moore’i seaduse 40. aastapäeva puhul toimunud vestlusringist, milles arutletakse, kuidas ületati takistused ja algatati uuendused protsessoritootmises.

Diskussiooni juhtis Inteli Senior Fellow Gene Meieran, vestluses osalesid Inteli kaasasutaja Gordon Moore, juhatuse vanemnõunik Andy Grove, juhatuse esimees Craig Barrett, endine tegevjuht Les Vadasz, mikroprotsessori leiutaja Ted Hoff, kustutatava programmeeritava mälu EPROM looja Dov Frohman ja Inteli esimese mikro­protsessori disainer Federico Faggin. Futurist Ray Kurzweil ja räniseadmete visionäär dr Carver Mead kõnelevad pooljuhtide tööstuse tulevikusuundadest.

Gene Meieran: Vähem kui 20 aastat pärast transistoride leiutamist William Shockley ja tema kolleegide poolt Bell Labsis ning vähem kui viis aastat pärast Bob Noyce’i ja Jack Kilby integraalskeemide leiutamist tegi Gordon Moore paberile ühe joonetõmbe ning muutis sellega meie tulevikku.

Joonetõmme näitlikustas, kuidas integraalskeem areneb edasi järgmise kümne aasta jooksul. Peagi kujunes sellest ennustusest väljakutse, mis lõi aluse Silicon Valley tekkeks. Tänapäeval nimetatakse ennustust kogu kõrgtehnoloogia kohta kehtivaks seaduspärasuseks.

Mõni aasta hiljem asutasid Bob ja Gordon Inteli. Nende värvatud töötajad ja loodud seadmed järgisid Moore’i seadust ning muutsid maailma tehnoloogilist ja majanduslikku arengut.
Moore’i seaduse tulemusena on kõigil inimestel võimalus kasutada üha võimsamat arvutustehnikat ning suhelda juhtmevaba tehnikaga peaaegu ükskõik kus, ükskõik kellega. See võimaldas inimkonna rännakut teistele planeetidele ja ülemaailmse elektroonikatööstuse loomist.

Gordon Moore: Moore’i seaduseks nimetatakse ennustust, mille ma tegin tegelikult 1965. aastal. Väljaande Electronics Magazine 35. ilmumisaasta puhul anti mulle ülesanne ennustada, mis juhtub pooljuhtide tööstuses kümne aastaga.

See oli integraalskeemide sünniaeg. Kõige keerulisemates neist oli umbes 30 transistori ja takistit. Töötasime parasjagu kaks korda keerukamate, 60 komponendiga kiipide kallal. Märkmeid tehes avastasin, et pärast 1959. aastal tutvustatud lametransistori, millele järgnes põhimõtteliselt samal tehnoloogial põhinevate mikrokiipide loomine, oli komponentide arv mikrokiipides kahekordistunud iga aastaga.

Ted Hoff: Esialgu oli tegemist tähelepanekuga, mis tööstuses toimub. Järgmiseks sammuks oli välja uurida põhjused, miks selline muutus aset leiab. Mis kaalutlustel meie jaoks optimaalseim kiip, mida oli mõtet valmistada, muutub iga aastaga üha keerulisemaks?

Andy Grove: Ükski ettevõte turul ei ole teiste tegutsemise suhtes immuunne ning kui üks ettevõte valmistab 1000bitise mälukiibi, siis teevad seda ka ülejäänud. Sellest piisas, et liidrid seadsid arengut Moore’i seaduse järgi, ning ülejäänud turul järgisid neid.

Craig Barrett: Ma ei ole kindel, kas Gordon 60ndate keskel mõistis, millise mõju tema väike arvutus võib saavutada. Moore’i seaduse mõju meie tööstusele on olnud määratu. See on tõepoolest olnud teejuhiks ja suunanäitajaks, mis on juhtinud meid kõigis meie tegevustes.

Moore: Tookord väitsin, et integraalskeemid teevad kunagi tulevikus elektroonika odavamaks. Kuni 1965. aastani olid integraalskeemid kallid. Neid kasutati enamasti militaarsüsteemides, kus kaalul ja jõudlusel oli kõige tähtsam roll.

Panin tähele, et tehnoloogia areng nägi ette võimalust seadmete hinda oluliselt alla viia. Niisiis tegin ennustuse kümne aasta peale, et integraalskeemid on 1975. aastal tuhat korda keerukamad kui 1965. aastal. Seega prognoosisin, et 60 transistori asemel saab mikroprotsessoris olema neid 60 000. Sellisel juhul oleks elektroonika odav.

Hoff: Suure kiibi asemel väikese tootmine oleks andnud finantsiliselt tohutu eelise, kuna see andis juurde arvutusvõimsust. Tavaliselt soovib ostja võimalikult suurt pauku. Teisisõnu, ostja üritab oma raha eest saada võimsaimat masinat.

See on oluline motivatsioon, kui sul on võimalus muuta kiip kiiremaks, suurendada selle jõudlust ja vähendada selle voolukasutust. Ehk parandada iga olulist omadust. Üks võimalus selleks on muuta kiip väiksemaks.

Meieran: Moore’i seadus ütleb, et transistoride arv mikrokiibil kahekordistub iga kahe aasta järel. Kasv on märkimisväärne – ning kui vaadata seda 40 aasta perspektiivis, siis transistoride arv on suurenenud miljon korda, lõviosa sellest viimase 10 aasta jooksul.

Moore: Esialgu ei olnud mul õrna aimugi, et see ennustus ka paika peab. Kuid üllataval kombel püsisime esimesed kümme aastat täpselt graafikus. Üks mu sõber, California Tehnoloogiainstituudi professor dr Carver Mead, nimetas seda tähelepanekut ühel hetkel Moore’i seaduseks. Ma ei mäleta täpset aega, kuid nii see seaduspära nime sai.

Carver Mead: Kogu selle graafiku seaduspära on väga huvitav fenomen, sest tegu pole ju mitte füüsikalise seadusega. See on tegelikult fenomen sellest, mida inimesed julgevad uskuda. See andis inimestele kindluse astuda järgmine samm. Mõne aja pärast hakkasid muutused ennast ise taastootma, kuna inimestel on usk arengusse. See oli Moore’i seaduse tegelik mõju. Gordon andis inimestele usu tulevikku ning nad tegid ennustuse teoks.

Grove: Meie ülesanne oli valmistada mikrokiipe seda arengujoont silmas pidades, eesmärk oli meile seatud. Seejärel oli tehnoloogia- ning materjalispetsialistide ülesanne välja mõelda võimalused, et ehitada selliseid integraal­skeeme, mis mahutaksid Moore’i seaduse poolt etteantud arvu transistore. Seega see võis muutuda iseenesest täituvaks ennustuseks, kuid siin ei saa ilmselt kunagi päris selget vahet teha.

Meieran: Ja see tempo viis Moore’i seaduse ka mitmetesse teistesse tööstusharudesse.

Moore: Olin esimene, kes nendele tööstusharude arengutele tähelepanu juhtis. Kuid nüüd nimetatakse kõiki sarnaseid arenguid Moore’i seaduseks. Mul on hea meel, et mind selle taga nähakse. Ütleksin isegi, et kui Gore leiutas interneti, siis mina leiutasin astmelise kasvu.

Loomulikult meil ei õnnestunud igal aastal transistoride arvu kahekordistada. Tutvustades meie edusamme 1975. aastal ühel IEEE konverentsil, pidasin kõne, kus prognoosisin transistoride arvu kahekordistumist iga kahe aasta tagant. Enam ei olnud võimalik seaduspära elus hoida, kui me pidime protsessori väiksemaks tegema.

Meieran: Kuidagi aja möödudes vähenes 2 aastat 18 kuuni.

Moore: Sain alles hiljuti aru, kust tuli 18 kuud. Ma ise pole midagi sellist väitnud ning arvan, et keegi kohendas senist ennustust vastavalt sobivale olukorrale. Intelis töötav Dave House kirjeldas seda kui määratlust arvuti jõudluse kasvu kohta. Kui transistoride arv iga kahe aasta tagant kahekordistus, siis muutusid kiiremaks ka arvutid. Tema nägemuses arvuti jõudlus kasvas koos keerulisusega ehk kahekordistus iga kahe aastaga. Tehnoloogia areng võimaldas kahekordistada arvutite jõudlust 18 kuug a.

Ray Kurzweil: Tavatsesin küsida oma sõnavõttudel kuulajatelt, kui paljud teavad Moore’i seadust. Alustasin sellega võib-olla viis-kuus aastat tagasi ning isegi tehnoloogiateadlike kuulajate seas kerkis üsna vähe käsi. Kuid täna teavad seda ka täiesti tavalised inimesed, mis tähendab, et sellest on saanud arvutite võimsuse kasvu sümbol.

Moore: Intel vähendas tootmisprotsesside põlvkondade vahelist aega kolmelt aastalt kahele. Sama püüavad teha konkurendid. Käimas on võistlus liidripositsiooni pärast, sest järgime korraga kõik sama arengukõverat. See on kummaline, aga uus ja senisest väiksem tehnoloogia mitte ainult ei luba toota võimsamaid seadmeid, vaid on ruumisäästlikkuse tõttu ka odavam.

Kõige uuema tehnoloogia valdaja on põlvkonna jagu ees ja tal on tohutu hinnaeelis konkurentidega võrreldes. Keegi ei taha maha jääda.

Meieran: Tekib küsimus, mis piirab Moore’i seaduse edasist jätkumist.

Moore: Ükski füüsiline asi ei suuda kasvada niiviisi igavesti. On ilmselge, et tekib lihtsalt füüsiline piir. Isegi meie praeguse tehnoloogia juures on mõned materjalikihid vaid üksikute molekulide paksused. Kuid kui minna aatomite tasandile, siis ei käitu materjal enam täpselt sama moodi. Materjal võib hakata lekkima, standardne skeem ei tööta ja lõpuks jõuame olulisele järeldusele, et ka elektroonilised protsessid töötavad teatud piirini.

Orienteerivalt aastatel 2010–2020 jõuame seadmete vähendamisel füüsilise piirini. Kuid see ei tähenda Moore’i seadusele veel lõppu. See kehtib endiselt, kuid siiski on seadmete kiiruse ja keerukuse juures tähtsal kohal ka nende suurus.

Kuid see ei ole ainuke oluline aspekt. Isegi füüsiliste piiride juures suudame panna mikrokiibile miljard transistori. Need transistorid annavad inseneridele võimaluse teha fenomenaalseid uuendusi. Peaaegu kõik nende ideed on võimalik tehnoloogia abil ellu viia. Kuid arengutipp ei ole saavutatud.

Meieran: Moore’i seadus ja skaleerimine – milline on teie tulevikuvaade?

Federico Faggin: Moore’i seadus kestab veel räniarendusele tuginedes järgmised 40–50 aastat. See on minu arvamus. Muidugi, arengutempo väheneb. Kiirus ei kahekordistu enam 18 kuuga, vaid 2 aastaga või 2,5 aastaga. Arengutempo hakkab aeglustuma. Kuid siiski on kasv endiselt astmeline.

Les Vadasz: Tulevikus võetakse seadmetes kasutusele peale räni mitmeid uusi materjale. Olgu siis Moore’i seadus kehtiv või mitte. Ränil on teatud piirangud. Moore’i seadus keskendub eelkõige transistoride tihedusele. Kuid kui rääkida optilistest materjalidest, siis me ei saa enam rääkida kiirustest, mis on saavutatavad räniga.

Ühel hetkel liidetakse räni uute materjalidega, nagu näiteks indiumfosfiid. Sellisel kujul kombineeritud materjalid täidavad eri ülesandeid. See on juba alanud.

Sellega seoses tekib huvitav küsimus – kuidas käitub uus materjal? Kas selle omadused aitavad Moore’i seadust edendada?

Kurzweil: Teine lähenemisviis on jäljendada inimese aju analoogprotsesse. Sellised teadlased nagu dr Carver California tehnoloogiainstituudist proovivad kasutada räni sedalaadi protsesside imiteerimiseks. Mitmed tema protsessorid püüavad imiteerida teatud ajupiirkondades toimuvaid protsesse, nagu visuaalsete objektide ja heli tajumine.

Mead: Võrreldes neid eri protsesse, saame uurida, millel põhineb aju protsesside efektiivsus ja kuidas saab aju hakkama sedavõrd keeruliste arvutustega, mida isegi tänapäeva targad arvutid teha ei suuda.

Arengusuundi on võimalik ette näha ning kui inimesed juba arvavad teadvat, millises suunas maailm areneb, toimub äkitselt uus pööre.

Moore: Minul on sellest hoopis teistsugune nägemus. Võib-olla ma olen juba vanaks jäänud ja mul on kujunenud kindlad arusaamad, aga me ei peaks arutama selle üle, mis saab pärast räni.

Võime mõningaid materjale ju asendada. Aga ma arvan, et tehnoloogia, mida oleme arendanud – keerulise mikro­struktuuriga kompleksne materjalide kogum, mis on kokku pandud kiht kihi haaval –, jääb selliseks ka tulevikus.

Grove: Füüsikaseadusi ei saa eirata, niisiis pooljuht-tehnoloogia evolutsioon jätkub. Kuid selleks tuleb astuda teatud samme, mis kõrvaldavad sellelt arenguteelt takistused. Ma arvan, et takistused loomulikult ületatakse. Kuid selleks peavad tehnoloogia arendajad ja seadmete valmistajad suutma mõelda ilma igasuguste piiranguteta.

Moore: Meil on veel pikk tee minna, enne kui praegune tehnoloogia ennast ammendab.

Barrett: Gordoni mõju tööstusele on olnud mõõtmatu. Ta on selle tööstuse liikumapanevaks jõuks, ta on tehnoloogide mootor.