Czy Prawo Moore’a ma sens? Legendarna reguła nadal nie ma następcy

Prawo Moore’a to żadne prawo. Nikt nie musiał go przestrzegać

Zacznijmy od tego, że kiedy prawo Moore’a (z angielskiego Moore’s law) się narodziło, a miało to miejsce w 1965 roku, był to jedynie owoc obserwacji i nic poza tym. Wprawdzie w języku polskim samo określenie “prawo” kojarzy się nam z odgórnym wymogiem, bo w samej definicji tego słowa przeczytamy, że to “ogół praw i obowiązków adresatów prawa“, ale musimy pamiętać, że w tym przypadku odnosi się do prawa empirycznego, a więc takiego, które nie wymusza czegoś na kimkolwiek, a jest jedynie obserwacją otaczającego nas świata.

Czytaj też: Czym jest Path Tracing? Nvidia zapowiedziała graficzną rewolucję dla nielicznych

Prawo Moore’a było więc tym samym, czym jakiekolwiek z np. fizycznych praw Netwona. Jest jedynie obserwacją tego, jak działa nasze otoczenie, co w przypadku prawa Gordona Moore’a odnosi się bezpośrednio do postępu technologicznego w zakresie wzrostu liczby się tranzystorów. Prawo to określa, że “ekonomicznie optymalna liczba tranzystorów w układzie scalonym zwiększa się w kolejnych latach zgodnie z trendem wykładniczym”. 

Z początku wskazywano, że podwajanie się liczby tranzystorów następuje co około 18 miesięcy, ale z czasem skorygowano to i wskazano, że ma to miejsce co około 24 miesiące. Ta korekta mówi już wiele sama w sobie, bo wskazuje, że prawo nie było odporne na upływ czasu tak, jak np. prawa fizyki. Przez to z czasem zwyczajnie traciło na znaczeniu i odbiegało od tego, co rzeczywiście działo się na rynku procesorów. Trudno się temu dziwić, bo im mniejsze są tranzystory, tym trudniej jest opracować ich mniejsze warianty, ale co na ten temat mówi sam rynek procesorów?

Czytaj też: Tak się tworzy wyznawców. Mogę mieć każdy smartfon z Androidem, a i tak wybieram iPhone’a

Zwróćmy uwagę na porównanie kilku procesorów Ryzena z segmentu konsumenckiego (Intel niestety nie ujawnia informacji na temat liczby tranzystorów w swoich procesorach):

• AMD Ryzen 7 1800X (pierwsza generacja, architektura Zen, proces 14 nm, SoC o wielkości 213 mm²) – 4,8 miliarda tranzystorów w 2017 roku
• AMD Ryzen 7 2800X (druga generacja, architektura Zen+, proces 12 nm, SoC o wielkości 213 mm²) – 4,8 miliarda tranzystorów w 2018 roku
• AMD Ryzen 7 3800X (trzecia generacja, architektura Zen 2, proces 7 nm, 74 mm² (CCD) + 125 mm² (cIOD)) – 3,9 miliarda tranzystorów w chipie CPU + 2,09 miliarda tranzystorów w chipie I/O w 2019 roku
• AMD Ryzen 7 5800X (czwarta generacja, architektura Zen 3, proces 7 nm, 81 mm² (CCD) + 125 mm² (cIOD)) – 4,15 miliarda tranzystorów w chipie CPU + 2,09 miliarda tranzystorów w chipie I/O w 2020 roku

Co to nam mówi? Na pierwszy rzut oka może się wydawać, że prawo Moore’a w kwestii procesorów jest wręcz sinusoidalne, co potwierdza też nowszy Ryzen 9 7950X z 2022 roku na bazie 5-nm procesu, który to tranzystorów ma aż 13,14 mln. Na tle tych układów imponuje zwłaszcza mobilny Ryzen 9 7940HS z 8 rdzeniami na bazie 4-nm procesu. Ten zadebiutował niedawno z aż 25 mln tranzystorów. Problem w tym, że każdy jeden procesor różni się architekturą, wielkością matrycy krzemowej oraz podejściem projektowym. 

Prawo Moore’a miałoby zastosowanie w tych procesorach, gdyby każdy z nich miał dokładnie tę samą matrycę krzemową, różniącą się jedynie procesem technologicznym. Dlatego właśnie dziś trudno jest odpowiedzieć na pytanie, czy prawo Moore’a jeszcze obowiązuje. Jest to tym samym bardziej przybliżenie, że średnio co te dwa lata liczba tranzystorów wzrasta dwukrotnie, ale nie można tego wykazać na żadnym prostym porównaniu konsumenckich procesorów. Dlatego też nic dziwnego, że oryginalne twierdzenie wyewoluowało do tego, że to nie liczba tranzystorów ulega podwojeniu w każdym roku, a sama moc obliczeniowa. Czy to ma sens? Patrząc np. na porównanie Core i9-10900K z 2020 roku i Core i9-13900K z 2022 roku, niespecjalnie, bo różnica surowej wydajności w tych procesorach zamyka się w 50-60%, a nie 200%. 

Trudno więc aktualnie jednoznacznie stwierdzić, czy prawo Moore’a nadal jest prawdziwe. Jedni się z nim zgodzą, a drudzy wręcz przeciwnie, bo aktualnie rynek technologii jest zwyczajnie zbyt skomplikowany, żeby jednoznacznie to określić. Niektórzy (w tym szef Nvidii) twierdzi, że prawo Moore’a się skończyło, ponieważ tempo postępu w produkcji układów scalonych spadło, a fizyczne granice tranzystorów krzemowych zostały osiągnięte. Inni twierdzą, że prawo Moore’a jest nadal aktualne, ale nie odnosi się już do samej liczby tranzystorów, a ogólnego rynku technologii, ponieważ nowe dziedziny, takie jak obliczenia kwantowe, nanotechnologia i biotechnologia mogą zaoferować nowe sposoby zwiększenia mocy obliczeniowej i wydajności. 

Prawo Moore’a może być więc aktualnie tym, czym są coraz bardziej zaawansowane procesy technologiczne. W ich przypadku producenci nabijają nas ciągle w butelkę, bo ze względu na przeszłość utarło się, że te magiczne 14-, 10-, 7-, a aktualnie już 4- i 3-nm oznaczają “wielkość tranzystorów”. Chociaż niegdyś rzeczywiście tak było, tak teraz odnosi się to do wielkości innych struktur, składających się na tranzystor, przez co aktualnie te nanometry wskazują na ogólną technologię produkcji. 

Poszczególne procesy technologiczne TSMC również przeczą prawu Moore’a w kwestii gęstości tranzystorów na każdy mm kwadratowy, co aktualnie jest najpewniej najlepszym wyznacznikiem działania tego prawa, o ile uzależnimy tę gęstość od roku rozpoczęcia masowej produkcji danego procesu:

• 2nm z planem produkcji masowej w 2024/2025 roku: (domniemane) 400 MTr/mm²
• 3nm z 2022 roku: 220 MTr/mm²
• 5nm z 2020 roku 138,2 MTr/mm²
• 7nm z 2018 roku: 91,2 MTr/mm²
• 10nm z 2016 roku: 52,51 MTr/mm²
• 14nm z 2013/2014 roku: 28,88 MTr/mm²

Prawo Moore’a – co trzeba wiedzieć?

Podsumowując więc, prawo Moore’a to prawie półwieczna już obserwacja na temat tego, jak szybko liczba tranzystorów w procesorach się podwaja. Z racji rozwoju technologii oraz procesów produkcyjnych, prawo to jest już nieaktualne w swojej oryginalnej wersji, ale samo w sobie było jeszcze na początku XXI wieku celną prognozą, która kształtowała rozwój elektroniki cyfrowej przez dobre cztery dekady.

Czytaj też: Sztuczna inteligencja albo nas zbawi, albo zabije. Mam tyle samo nadziei, co obaw

Dziś potrzeba tak naprawdę wyznaczenia nowych ram i postarania się o nowe obserwacje, aby zapewnić światu podobne prawo co do rozwoju technologii. W dobie sztucznej inteligencji, rosnącej wagi procesorów graficznych, rosnącego znaczenia architektury Arm, spadającego znaczenia x86, coraz większej wagi architektury, czy wyspecjalizowanych akceleratorów same tranzystory nie są najważniejsze. Dlatego właśnie tak trudno jest nakreślić następcę prawa Moore’a.