Was ist das Gesetz von Moore und wofür ist es?

Moores Gesetz bezieht sich auf eine Beobachtung des Intel-Mitbegründers Gordon Moore aus dem Jahr 1965, in der er entdeckte, dass sich die Anzahl der Transistoren pro Quadratzoll in integrierten Schaltkreisen seit ihrer Erfindung Jahr für Jahr verdoppelt hatte.

Moores Gesetz sagt voraus, dass dieser Trend für die kommenden Jahre intakt bleiben wird. Obwohl die Rate gesunken ist, hat sich die Anzahl der Transistoren pro Quadratzoll ungefähr alle anderthalb Jahre verdoppelt. Dies wird als aktuelle Definition des Mooreschen Gesetzes verwendet.

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Die vereinfachte Version dieses Gesetzes besagt, dass sich die Prozessorgeschwindigkeit oder die Gesamtrechnungsleistung für Computer alle zwei Jahre verdoppeln wird. Eine schnelle Überprüfung zwischen Technikern verschiedener Computerfirmen zeigt, dass der Begriff nicht sehr beliebt ist, die Regel jedoch weiterhin akzeptiert wird.

Wenn wir die Prozessorgeschwindigkeiten von 1970 bis 2018 und dann 2019 untersuchen, könnten wir denken, dass das Gesetz an seine Grenzen gestoßen ist oder sich nähert. In den 1970er Jahren lagen die Prozessorgeschwindigkeiten zwischen 740 kHz und 8 MHz. Das Gesetz ist jedoch für Transistoren genauer als für die Geschwindigkeit.

Die Menge an Rechenleistung, die wir jetzt auf den kleinsten Geräten verwenden können, ist etwas bemerkenswert im Vergleich zu dem, was beispielsweise vor einem Jahrzehnt erreicht werden konnte.

Rückblickend würde ein PC, der zu dieser Zeit der beste war, im Vergleich zu einem aktuellen PC als veraltet gelten.

Dies ist einfach deshalb möglich, weil die Chiphersteller die Anzahl der Transistoren auf einem Chip jedes Jahr erheblich erhöhen können, da sich die Fortschritte in der Chipforschung verbessern.

Die Erweiterung des Moore'schen Gesetzes besteht darin, dass Computer, computergesteuerte Komponenten und Rechenleistung mit der Zeit kleiner und schneller werden, wenn Transistoren in integrierten Schaltkreisen effizienter werden.

Transistoren sind einfache elektronische Ein-Aus-Schalter, die in Mikrochips, Prozessoren und kleine Stromkreise integriert sind. Je schneller sie elektrische Signale verarbeiten, desto effizienter wird ein Computer.

Die Kosten für diese leistungsstärkeren Computer gingen im Laufe der Zeit ebenfalls zurück, in der Regel um 30 Prozent pro Jahr. Als Hardware-Designer die Leistung von Computern mit besser integrierten Schaltkreisen steigerten, konnten die Hersteller bessere Maschinen entwickeln, die bestimmte Prozesse automatisieren konnten. Diese Automatisierung führte zu günstigeren Produkten für die Verbraucher, da Hardware niedrigere Arbeitskosten verursachte.

Moores Gesetz in der heutigen Gesellschaft

Fünfzig Jahre nach Moores Gesetz sieht die heutige Gesellschaft Dutzende von Vorteilen, die dieses Gesetz bietet. Mobile Geräte wie Smartphones und Desktop-Computer würden ohne sehr kleine Prozessoren nicht funktionieren. Kleinere, schnellere Computer verbessern Transport, Gesundheitswesen, Bildung und Energieerzeugung. Nahezu jede Facette einer High-Tech-Gesellschaft profitiert vom in die Praxis umgesetzten Moore's Law-Konzept.

Heute bestehen alle Verbraucherprozessoren aus Silizium, dem nach Sauerstoff am zweithäufigsten vorkommenden Element in der Erdkruste. Silizium ist jedoch kein perfekter Leiter, und die Grenzen der Beweglichkeit der Elektronen, die es trägt, begrenzen die Dicke der Siliziumtransistoren stark.

Der Stromverbrauch ist jedoch nicht nur ein großes Problem, sondern auch ein als Quantentunnel bezeichneter Effekt kann Probleme verursachen, die Elektronen über einer bestimmten Dickenschwelle zu halten.

Siliziumtransistoren erreichen derzeit 14 Nanometer, und während einige 10-Nanometer-Chip-Designs bald auf den Markt kommen werden, wurde der Schluss gezogen, dass Unternehmen dies tun müssen, um das Moore-Gesetz über einen langen Zeitraum einzuhalten Erstellen Sie neuere und bessere Materialien, um die Grundlage für Computer der nächsten Generation zu bilden.

Moores Gesetz in der Zukunft

Dank der Nanotechnologie sind einige Transistoren kleiner als ein Virus. Diese mikroskopischen Strukturen enthalten perfekt ausgerichtete Silizium- und Kohlenstoffmoleküle, die dazu beitragen, Elektrizität schneller entlang des Stromkreises zu bewegen.

Schließlich macht es die Temperatur der Transistoren unmöglich, kleinere Schaltungen zu erzeugen, da das Kühlen der Transistoren mehr Energie erfordert als das, was durch die Transistoren fließt. Experten zeigen, dass Computer in den nächsten Jahren an die physischen Grenzen des Mooreschen Gesetzes stoßen sollten. In diesem Fall müssen Informatiker völlig neue Wege zur Erstellung von Computern untersuchen.

Anwendungen und Software könnten in Zukunft die Geschwindigkeit und Effizienz von Computern verbessern, anstatt physische Prozesse. Cloud-Technologie, drahtlose Kommunikation, das Internet der Dinge und die Quantenphysik könnten ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Innovation der Informationstechnologie spielen.

Die Fortschritte bei der Verdoppelung der Anzahl der Schaltkreise haben sich verlangsamt, und integrierte Schaltkreise können nicht viel kleiner werden, wenn sich die Transistoren der Größe eines Atoms nähern.

Irgendwann in der Zukunft können Fortschritte bei Software oder Hardware den Traum von Moores Gesetz am Leben erhalten. Die Computerindustrie scheint jedoch bereit zu sein, sich einem anderen Kurs zuzuwenden, der in einigen Jahren voranschreiten wird.

Der Fortschritt von Moores Gesetz

Obwohl Moores Gesetz dies alle zwei Jahre gesagt hatte, hat dieser rasche Anstieg der technologischen Produktion den Zeitraum in den Köpfen von Technikern und Anwendern gleichermaßen verkürzt.

Die Einschränkung besteht darin, dass, sobald Transistoren so klein wie Atomteilchen erzeugt werden können, auf dem CPU-Markt kein Raum mehr für Wachstum besteht, wenn es um Geschwindigkeiten geht.

Moore stellte fest, dass sich die Gesamtzahl der Komponenten in diesen Schaltkreisen jedes Jahr ungefähr verdoppelt hatte, und extrapolierte diese jährliche Verdoppelung auf das folgende Jahrzehnt, wobei er schätzte, dass die Mikroschaltungen von 1975 erstaunliche 65.000 Komponenten pro Chip enthalten würden.

1975, als sich die Wachstumsrate zu verlangsamen begann, überarbeitete Moore seinen Zweijahreszeitraum. Sein überarbeitetes Gesetz war ein wenig pessimistisch; Ungefähr 50 Jahre nach 1961 verdoppelte sich die Anzahl der Transistoren ungefähr alle 18 Monate. In der Folge bezogen sich Zeitschriften regelmäßig auf Moores Gesetz, als wäre es ein technologisches Gesetz mit der Sicherheit der Newtonschen Bewegungsgesetze.

Was diese dramatische Explosion der Schaltungskomplexität ermöglichte, war die über Jahrzehnte schrumpfende Größe der Transistoren.

Transistoreigenschaften, die weniger als ein Mikrometer messen, wurden in den 1980er Jahren erreicht, als DRAM-Chips (Dynamic Random Access Memory) anfingen, Megabyte-Speicherkapazitäten anzubieten.

Zu Beginn des 21. Jahrhunderts näherten sich diese Merkmale einer Breite von 0, 1 Mikrometern und ermöglichten die Herstellung von Gigabyte-Speicherchips und Mikroprozessoren, die bei Gigahertz-Frequenzen arbeiten. Das Mooresche Gesetz wurde im zweiten Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts mit der Einführung dreidimensionaler Transistoren im Zehn- Nanometer -Bereich fortgesetzt.

Das nahe Ende von Moores Gesetz

Da das Mooresche Gesetz ein exponentielles Wachstum vorschlägt, ist es unwahrscheinlich, dass es auf unbestimmte Zeit fortgesetzt wird. Die meisten Experten erwarten, dass das Mooresche Gesetz noch zwei Jahrzehnte dauern wird. Einige Studien haben gezeigt, dass 2018 körperliche Einschränkungen erreicht werden können.

Laut einem aktuellen Bericht der International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), zu der auch Chipgiganten wie Intel und Samsung gehören, könnten Transistoren einen Punkt erreichen, an dem sie bis 2021 nicht weiter reduziert werden könnten. Die Unternehmen behaupten, dies zu tun dann wird es wirtschaftlich nicht mehr machbar sein, sie kleiner zu machen und schließlich Moores Gesetz zu beenden.

Dies bedeutet, dass sie, obwohl sie physisch kleiner werden könnten, theoretisch das erreichen würden, was das ITRS als „wirtschaftliches Minimum“ bezeichnet, was bedeutet, dass dies nur die Kosten unerschwinglich machen würde.

Dies ist nicht das erste Mal, dass Moores Theorie in Frage gestellt wird. Im vergangenen Jahr gab Brian Krzanich, Chief Executive von Intel, bekannt, dass die Größenänderung von einem Transistor auf einen anderen zwei bis zweieinhalb Jahre dauert. Krzanich stellte dies während eines Gewinnaufrufs von Intel in Frage und sagte, dass die Herstellungsprozesse nicht so schnell vorangekommen seien wie in der Vergangenheit.

Nach Ansicht des ITRS bedeutet dies jedoch nicht das Ende des Konzepts hinter dem Gesetz, da die Hersteller zunehmend innovative Wege finden, um mehr Schalter in einem bestimmten Raum einzuführen. Nehmen wir zum Beispiel die 3D-NAND-Technologie von Intel, bei der 32 Speicherschichten übereinander gestapelt werden, um enorme Speicherkapazitäten zu schaffen.

Letzte Worte und Schlussfolgerung

Bis jetzt hat sich das Mooresche Gesetz immer wieder als richtig erwiesen und ist daher seit langem für die meisten Fortschritte im digitalen Zeitalter verantwortlich, von PCs bis zu Supercomputern Verwendung in der Halbleiterindustrie als Leitfaden für die langfristige Planung und zur Festlegung von Zielen für Forschung und Entwicklung.

Moores Gesetz ist ein Gesetz der Wirtschaft, kein physikalisches. Dies zeigt an, dass jeder neue Chip doppelt so viele Transistoren hat und daher die Kapazität der vorherigen Generation bei gleichen Produktionskosten berechnet.

Diese einfache Faustregel hat über ein halbes Jahrhundert lang alle Fortschritte in der technologischen Revolution vorangetrieben und definiert weiterhin die immer weiter wachsenden Grenzen der heutigen Technologie, sodass wir Konzepte wie künstliche Intelligenz und autonome Fahrzeuge übernehmen und umsetzen können.

Dieses Gesetz erlangte Bekanntheit, weil Menschen Gesetze mögen, die es ihnen ermöglichen, die Zukunft einer der größten Industrien der Welt vorherzusagen, aber die physikalische Grundlage dieses Prinzips bedeutet, dass es etwas anders und weniger zuverlässig ist als viele Menschen glaube.

Die physischen Einschränkungen bei der Herstellung dieser Chips könnten diese Zahl leicht auf fünf Jahre oder mehr zurückschieben und das Mooresche Gesetz für immer ungültig machen.

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