La observación lleva el nombre de Gordon Moore , cofundador de Fairchild Semiconductor e Intel (y ex director ejecutivo de esta última), quien en 1965 postuló una duplicación cada año del número de componentes por circuito integrado, [a] y proyectó esta tasa de crecimiento continuaría durante al menos otra década. En 1975, mirando hacia la próxima década, revisó el pronóstico para duplicarlo cada dos años, una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 41%. Si bien Moore no utilizó evidencia empírica para pronosticar que la tendencia histórica continuaría, su predicción se ha mantenido desde 1975 y desde entonces se la conoce como una "ley".
Los expertos de la industria no han llegado a un consenso sobre cuándo dejará de aplicarse exactamente la ley de Moore. Los arquitectos de microprocesadores informan que el avance de los semiconductores se ha desacelerado en toda la industria desde alrededor de 2010, ligeramente por debajo del ritmo previsto por la ley de Moore. En septiembre de 2022, el director ejecutivo de Nvidia, Jensen Huang, consideró muerta la ley de Moore, [2] mientras que el director ejecutivo de Intel, Pat Gelsinger, opinaba lo contrario. [3]
Historia
En 1959, Douglas Engelbart estudió la reducción proyectada del tamaño de los circuitos integrados (CI) y publicó sus resultados en el artículo "Microelectronics, and the Art of Similitude". [4] [5] [6] Engelbart presentó sus hallazgos en la Conferencia Internacional de Circuitos de Estado Sólido de 1960 , donde Moore estuvo presente entre la audiencia. [7]
En 1965, a Gordon Moore, que en aquel momento trabajaba como director de investigación y desarrollo en Fairchild Semiconductor , se le pidió que contribuyera al número del trigésimo quinto aniversario de la revista Electronics con una predicción sobre el futuro de la industria de componentes semiconductores en los próximos años. los próximos diez años. [8] Su respuesta fue un breve artículo titulado "Abarcar más componentes en circuitos integrados". [1] [9] [b] En su editorial, especuló que para 1975 sería posible contener hasta 65.000 componentes en un solo semiconductor de un cuarto de pulgada cuadrada (~1,6 centímetros cuadrados).
La complejidad de los costes mínimos de los componentes ha aumentado a un ritmo de aproximadamente un factor de dos por año. Ciertamente, en el corto plazo se puede esperar que esta tasa continúe, si no que aumente. A más largo plazo, la tasa de aumento es un poco más incierta, aunque no hay razón para creer que no se mantendrá casi constante durante al menos 10 años. [1]
Moore postuló una relación log-lineal entre la complejidad del dispositivo (mayor densidad de circuito a un costo reducido) y el tiempo. [12] [13] En una entrevista de 2015, Moore señaló sobre el artículo de 1965: "... Acabo de hacer una extrapolación descabellada diciendo que continuará duplicándose cada año durante los próximos 10 años". [14] Un historiador de la ley cita la ley de eponimia de Stigler , para presentar el hecho de que muchos que trabajaban en el campo conocían la duplicación regular de componentes. [13]
En 1974, Robert H. Dennard de IBM reconoció la tecnología de escalado rápido de MOSFET y formuló lo que se conoció como escalado de Dennard , que describe que a medida que los transistores MOS se hacen más pequeños, su densidad de potencia se mantiene constante, de modo que el uso de energía permanece en proporción con el área. [15] [16] La evidencia de la industria de semiconductores muestra que esta relación inversa entre la densidad de potencia y la densidad de área se rompió a mediados de la década de 2000. [17]
En la Reunión Internacional de Dispositivos Electrónicos del IEEE de 1975 , Moore revisó su tasa de pronóstico, [18] [19] prediciendo que la complejidad de los semiconductores continuaría duplicándose anualmente hasta aproximadamente 1980, después de lo cual disminuiría a una tasa de duplicación aproximadamente cada dos años. [19] [20] [21] Describió varios factores que contribuyen a este comportamiento exponencial: [12] [13]
La tasa exponencial de aumento en el tamaño de los troqueles, junto con una disminución en las densidades de defectos, con el resultado de que los fabricantes de semiconductores podrían trabajar con áreas más grandes sin perder rendimientos de reducción.
Dimensiones mínimas más finas
Lo que Moore llamó "inteligencia de circuitos y dispositivos"
Poco después de 1975, el profesor de Caltech Carver Mead popularizó el término "ley de Moore". [22] [23] La ley de Moore finalmente llegó a ser ampliamente aceptada como un objetivo para la industria de semiconductores, y fue citada por fabricantes de semiconductores competitivos mientras se esforzaban por aumentar la potencia de procesamiento. Moore consideró sorprendente y optimista su ley homónima: "La ley de Moore es una violación de la ley de Murphy . Todo mejora cada vez más". [24] La observación fue incluso vista como una profecía autocumplida . [25] [26]
El período de duplicación a menudo se cita erróneamente como 18 meses debido a una predicción separada del colega de Moore, el ejecutivo de Intel, David House . [27] En 1975, House señaló que la ley revisada de Moore de duplicar el recuento de transistores cada 2 años implicaba a su vez que el rendimiento del chip de computadora se duplicaría aproximadamente cada 18 meses [28] (sin aumento en el consumo de energía). [29] Matemáticamente, la ley de Moore predijo que el número de transistores se duplicaría cada 2 años debido a la reducción de las dimensiones de los transistores y otras mejoras. [30] Como consecuencia de la reducción de las dimensiones, la escala de Dennard predijo que el consumo de energía por unidad de área permanecería constante. Combinando estos efectos, David House dedujo que el rendimiento de los chips de computadora se duplicaría aproximadamente cada 18 meses. También debido al escalamiento de Dennard, este aumento de rendimiento no iría acompañado de un aumento de potencia, es decir, la eficiencia energética de los chips de computadora basados en silicio aproximadamente se duplica cada 18 meses. La escalada de Dennard terminó en la década de 2000. [17] Koomey demostró más tarde que una tasa similar de mejora de la eficiencia era anterior a los chips de silicio y la ley de Moore, para tecnologías como los tubos de vacío.
Los arquitectos de microprocesadores informan que desde aproximadamente 2010, el avance de los semiconductores se ha desacelerado en toda la industria por debajo del ritmo previsto por la ley de Moore. [17] Brian Krzanich , ex CEO de Intel, citó la revisión de Moore de 1975 como un precedente para la desaceleración actual, que resulta de desafíos técnicos y es "una parte natural de la historia de la ley de Moore". [31] [32] [33] La tasa de mejora en las dimensiones físicas conocida como escala de Dennard también terminó a mediados de la década de 2000. Como resultado, gran parte de la industria de semiconductores ha cambiado su enfoque hacia las necesidades de las principales aplicaciones informáticas en lugar del escalamiento de semiconductores. [25] [34] [17] Sin embargo, los principales fabricantes de semiconductores TSMC y Samsung Electronics han afirmado que siguen el ritmo de la ley de Moore [35] [36] [37] [38] [39] [40] con 10 , 7 , y Nodos de 5 nm en producción en masa. [35] [36] [41] [42] [43]
Segunda ley de Moore
A medida que cae el costo de la energía informática para el consumidor, el costo para los productores de cumplir la ley de Moore sigue una tendencia opuesta: los costos de investigación y desarrollo, fabricación y pruebas han aumentado constantemente con cada nueva generación de chips. Los crecientes costos de fabricación son una consideración importante para el mantenimiento de la ley de Moore. [44] Esto llevó a la formulación de la segunda ley de Moore , también llamada ley de Rock (llamada así por Arthur Rock ), que establece que el costo de capital de una planta de fabricación de semiconductores también aumenta exponencialmente con el tiempo. [45] [46]
Numerosas innovaciones realizadas por científicos e ingenieros han sustentado la ley de Moore desde el comienzo de la era IC. Algunas de las innovaciones clave se enumeran a continuación, como ejemplos de avances que han avanzado en la tecnología de fabricación de dispositivos semiconductores y circuitos integrados , lo que ha permitido que el número de transistores crezca en más de siete órdenes de magnitud en menos de cinco décadas.
Fotorresistente químicamente amplificado : inventado por Hiroshi Ito, C. Grant Willson [Delaware] y JMJ Fréchet en IBM alrededor de 1980, [53] [54] [55] que era entre 5 y 10 veces más sensible a la luz ultravioleta. [56] IBM introdujo fotoprotectores amplificados químicamente para la producción de DRAM a mediados de los años 1980. [57] [58]
Fotolitografía con láser excimer UV profundo : inventada por Kanti Jain [59] en IBM alrededor de 1980. [60] [61] [62] Antes de esto, los láseres excimer se habían utilizado principalmente como dispositivos de investigación desde su desarrollo en la década de 1970. [63] [64] Desde una perspectiva científica más amplia, la invención de la litografía con láser excimer se ha destacado como uno de los principales hitos en los 50 años de historia del láser. [65] [66]
Los mapas de ruta de la tecnología de la industria informática predijeron en 2001 que la ley de Moore continuaría durante varias generaciones de chips semiconductores. [70]
Tendencias recientes
Una simulación de la densidad de electrones como voltaje de puerta (Vg) varía en un MOSFET de nanocables . El voltaje umbral es de alrededor de 0,45 V. Los MOSFET de nanocables se encuentran hacia el final de la hoja de ruta del ITRS para escalar dispositivos por debajo de 10 nm de longitud de puerta.
Uno de los desafíos técnicos clave de la ingeniería de futuros transistores a nanoescala es el diseño de puertas. A medida que la dimensión del dispositivo se reduce, controlar el flujo de corriente en el canal delgado se vuelve más difícil. Los transistores a nanoescala modernos suelen adoptar la forma de MOSFET de puertas múltiples , siendo el FinFET el transistor a nanoescala más común. El FinFET tiene una puerta dieléctrica en tres lados del canal. En comparación, la estructura MOSFET ( GAAFET ) de puerta completa tiene un control de puerta aún mejor.
Un MOSFET de puerta integral (GAAFET) fue demostrado por primera vez en 1988 por un equipo de investigación de Toshiba dirigido por Fujio Masuoka , quien demostró un GAAFET de nanocables vertical al que llamó "transistor de puerta envolvente" (SGT). [71] [72] Masuoka, mejor conocido como el inventor de la memoria flash , más tarde dejó Toshiba y fundó Unisantis Electronics en 2004 para investigar la tecnología de puerta circundante junto con la Universidad de Tohoku . [73]
En 2010, investigadores del Instituto Nacional Tyndall en Cork, Irlanda, anunciaron un transistor sin conexiones. Una puerta de control enrollada alrededor de un nanocables de silicio puede controlar el paso de electrones sin el uso de uniones ni dopaje. Afirman que se pueden producir a escala de 10 nm utilizando técnicas de fabricación existentes. [76]
En 2011, investigadores de la Universidad de Pittsburgh anunciaron el desarrollo de un transistor de un solo electrón, de 1,5 nm de diámetro, fabricado a partir de materiales a base de óxido. Tres "cables" convergen en una "isla" central que puede albergar uno o dos electrones. Los electrones hacen un túnel de un cable a otro a través de la isla. Las condiciones en el tercer cable dan como resultado distintas propiedades conductoras, incluida la capacidad del transistor para actuar como una memoria de estado sólido. [77] Los transistores de nanocables podrían estimular la creación de computadoras microscópicas. [78] [79] [80]
En 2012, un equipo de investigación de la Universidad de Nueva Gales del Sur anunció el desarrollo del primer transistor funcional que consistía en un solo átomo colocado precisamente en un cristal de silicio (no simplemente elegido de una gran muestra de transistores aleatorios). [81] La ley de Moore predijo que este hito se alcanzaría para los circuitos integrados en el laboratorio en 2020.
En 2015, IBM demostró chips de nodo de 7 nm con transistores de silicio-germanio producidos utilizando EUVL . La compañía creía que esta densidad de transistores sería cuatro veces mayor que la de los chips de 14 nm actuales . [82]
Samsung y TSMC planean fabricar nodos GAAFET de 3 nm para 2021-2022. [83] [84] Tenga en cuenta que los nombres de los nodos, como 3 nm, no tienen relación con el tamaño físico de los elementos del dispositivo (transistores).
Un equipo de investigación de Toshiba que incluía a T. Imoto, M. Matsui y C. Takubo desarrolló un proceso de unión de obleas "System Block Module" para fabricar paquetes de circuitos integrados tridimensionales (3D IC) en 2001. [85] [86] En abril de 2007 , Toshiba presentó un IC 3D de ocho capas, el chip de memoria flash NAND integrado THGAM de 16 GB que se fabricó con ocho chips flash NAND de 2 GB apilados. [87] En septiembre de 2007, Hynix presentó 3D IC de 24 capas, un chip de memoria flash de 16 GB que se fabricó con 24 chips flash NAND apilados mediante un proceso de unión de oblea. [88]
V-NAND , también conocido como 3D NAND, permite que las celdas de memoria flash se apilen verticalmente utilizando la tecnología flash de trampa de carga presentada originalmente por John Szedon en 1967, lo que aumenta significativamente la cantidad de transistores en un chip de memoria flash. 3D NAND fue anunciado por primera vez por Toshiba en 2007. [89] V-NAND fue fabricado comercialmente por primera vez por Samsung Electronics en 2013. [90] [91] [92]
En 2008, investigadores de HP Labs anunciaron un memristor funcional , un cuarto elemento de circuito pasivo básico cuya existencia sólo se había teorizado previamente. Las propiedades únicas del memristor permiten la creación de dispositivos electrónicos más pequeños y de mejor rendimiento. [93]
En 2014, bioingenieros de la Universidad de Stanford desarrollaron un circuito inspirado en el cerebro humano. Dieciséis chips "Neurocore" simulan un millón de neuronas y miles de millones de conexiones sinápticas, y se dice que son 9.000 veces más rápidos y más eficientes energéticamente que una PC típica. [94]
En 2015, Intel y Micron anunciaron 3D XPoint , una memoria no volátil que se afirma que es significativamente más rápida con una densidad similar en comparación con NAND. La producción prevista para comenzar en 2016 se retrasó hasta la segunda mitad de 2017. [95] [96] [97]
En 2017, Samsung combinó su tecnología V-NAND con el apilamiento de IC 3D eUFS para producir un chip de memoria flash de 512 GB, con ocho matrices V-NAND de 64 capas apiladas. [98] En 2019, Samsung produjo un chip flash de 1 TB con ocho matrices V-NAND de 96 capas apiladas, junto con tecnología de celda de cuatro niveles (QLC) ( 4 bits por transistor), [99] [100] equivalente a 2 billones de transistores, el mayor número de transistores de cualquier chip IC.
En 2020, Samsung Electronics planeaba producir el nodo de 5 nm , utilizando tecnología FinFET y EUV . [36] [ necesita actualización ]
En mayo de 2021, IBM anunció la creación del primer chip de computadora de 2 nm , con partes supuestamente más pequeñas que el ADN humano. [101]
Los arquitectos de microprocesadores informan que el avance de los semiconductores se ha desacelerado en toda la industria desde alrededor de 2010, por debajo del ritmo previsto por la ley de Moore. [17] Brian Krzanich, ex director ejecutivo de Intel, anunció: "Nuestra cadencia actual está más cerca de dos años y medio que de dos". [102] Intel declaró en 2015 que las mejoras en los dispositivos MOSFET se han ralentizado, comenzando con el ancho de función de 22 nm alrededor de 2012 y continuando con 14 nm . [103]
Los límites físicos del escalado de transistores se han alcanzado debido a fugas de fuente a drenaje, metales de puerta limitados y opciones limitadas para el material del canal. Se están investigando otros enfoques que no se basan en el escalamiento físico. Estos incluyen el estado de espín de la espintrónica electrónica , las uniones de túneles y el confinamiento avanzado de materiales de canales mediante geometría de nanocables. [104] Las opciones de memoria y lógica basadas en spin se están desarrollando activamente en los laboratorios. [105] [106]
Investigación de materiales alternativos.
La gran mayoría de los transistores actuales en los circuitos integrados están compuestos principalmente de silicio dopado y sus aleaciones. A medida que el silicio se fabrica en transistores de un solo nanómetro, los efectos de canal corto cambian negativamente las propiedades materiales deseadas del silicio como transistor funcional. A continuación se muestran varios sustitutos sin silicio en la fabricación de transistores de pequeños nanómetros.
Un material propuesto es el arseniuro de indio y galio o InGaAs. En comparación con sus homólogos de silicio y germanio, los transistores de InGaAs son más prometedores para futuras aplicaciones lógicas de alta velocidad y bajo consumo. Debido a las características intrínsecas de los semiconductores compuestos III-V , se han propuesto transistores de efecto túnel y de pozo cuántico basados en InGaA como alternativas a los diseños MOSFET más tradicionales.
En 2009, Intel anunció el desarrollo de transistores de pozo cuántico InGaAs de 80 nm . Los dispositivos de pozo cuántico contienen un material intercalado entre dos capas de material con una banda prohibida más amplia. A pesar de tener el doble de tamaño que los principales transistores de silicio puro de la época, la empresa informó que funcionaban igual de bien y consumían menos energía. [107]
En 2011, investigadores de la Universidad de Texas en Austin desarrollaron transistores de efecto de campo de túnel de InGaAs capaces de generar corrientes de funcionamiento más altas que los diseños anteriores. Los primeros diseños TFET III-V fueron demostrados en 2009 por un equipo conjunto de la Universidad de Cornell y la Universidad Estatal de Pensilvania . [111] [112]
En 2012, un equipo de los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas del MIT desarrolló un transistor de 22 nm basado en InGaAs que, en ese momento, era el transistor sin silicio más pequeño jamás construido. El equipo utilizó técnicas utilizadas en la fabricación de dispositivos de silicio y apuntó a un mejor rendimiento eléctrico y una reducción a la escala de 10 nanómetros . [113]
La investigación en informática biológica muestra que el material biológico tiene una densidad de información y una eficiencia energética superiores en comparación con la informática basada en silicio. [114]
Se están estudiando varias formas de grafeno para la electrónica de grafeno , por ejemplo, los transistores de nanocintas de grafeno se han mostrado prometedores desde su aparición en publicaciones en 2008. (El grafeno a granel tiene una banda prohibida de cero y, por lo tanto, no se puede utilizar en transistores debido a su conductividad constante, una incapacidad para apagar. Los bordes en zigzag de las nanocintas introducen estados de energía localizados en las bandas de conducción y valencia y, por lo tanto, una banda prohibida que permite la conmutación cuando se fabrica como un transistor. Como ejemplo, un GNR típico de ancho de 10 nm tiene una energía de banda prohibida deseable Sin embargo , será necesario realizar más investigaciones en capas de grafeno por debajo de 50 nm, ya que su valor de resistividad aumenta y, por lo tanto, la movilidad de los electrones disminuye . [115]
Previsiones y hojas de ruta
En abril de 2005, Gordon Moore afirmó en una entrevista que la proyección no puede sostenerse indefinidamente: "No puede continuar para siempre. La naturaleza de las exponenciales es que las expulsas y eventualmente ocurre el desastre". También señaló que los transistores eventualmente alcanzarían los límites de la miniaturización a niveles atómicos :
En términos de tamaño [de los transistores] se puede ver que nos estamos acercando al tamaño de los átomos, que es una barrera fundamental, pero pasarán dos o tres generaciones antes de que lleguemos tan lejos, pero eso es lo más lejos que hemos llegado. alguna vez he podido ver. Tenemos otros 10 a 20 años antes de que alcancemos un límite fundamental. Para entonces podrán fabricar chips más grandes y tener presupuestos de transistores de miles de millones. [117]
-Gordon Moore
En 2016, la Hoja de Ruta Tecnológica Internacional para Semiconductores , después de utilizar la Ley de Moore para impulsar la industria desde 1998, elaboró su hoja de ruta definitiva. Ya no centró su plan de investigación y desarrollo en la ley de Moore. En cambio, esbozó lo que podría llamarse la estrategia Más que Moore, en la que las necesidades de las aplicaciones impulsan el desarrollo de chips, en lugar de centrarse en el escalamiento de semiconductores. Los controladores de aplicaciones van desde teléfonos inteligentes hasta inteligencia artificial y centros de datos. [118]
Algunos pronosticadores, incluido Gordon Moore, [120] predicen que la ley de Moore terminará alrededor de 2025. [121] [118] [122] Aunque la ley de Moore alcanzará un límite físico, algunos pronosticadores son optimistas acerca de la continuación del progreso tecnológico en un variedad de otras áreas, incluidas nuevas arquitecturas de chips, computación cuántica e inteligencia artificial y aprendizaje automático. [123] [124] El director ejecutivo de Nvidia , Jensen Huang, declaró muerta la ley de Moore en 2022; [2] varios días después, el director ejecutivo de Intel, Pat Gelsinger, respondió con la afirmación contraria. [3]
Consecuencias
La electrónica digital ha contribuido al crecimiento económico mundial a finales del siglo XX y principios del XXI. [125] La principal fuerza impulsora del crecimiento económico es el crecimiento de la productividad , [126] que tiene en cuenta la ley de Moore. Moore (1995) esperaba que "el ritmo del progreso tecnológico se controlará desde las realidades financieras". [127] Sin embargo, lo contrario podría ocurrir y ocurrió a fines de la década de 1990, cuando los economistas informaron que "el crecimiento de la productividad es el indicador económico clave de la innovación". [128] La ley de Moore describe una fuerza impulsora del cambio tecnológico y social, la productividad y el crecimiento económico. [129] [130] [126]
Una aceleración en la tasa de progreso de los semiconductores contribuyó a un aumento en el crecimiento de la productividad en Estados Unidos, [131] [132] [133] que alcanzó el 3,4% anual en 1997-2004, superando el 1,6% anual durante 1972-1996 y 2005. –2013. [134] Como señala el economista Richard G. Anderson: "Numerosos estudios han atribuido la causa de la aceleración de la productividad a las innovaciones tecnológicas en la producción de semiconductores que redujeron drásticamente los precios de dichos componentes y de los productos que los contienen (además de aumentar las capacidades de tales productos)". [135]
La principal implicación negativa de la ley de Moore es que la obsolescencia empuja a la sociedad hacia los límites del crecimiento . A medida que las tecnologías continúan "mejorando" rápidamente, las tecnologías predecesoras quedan obsoletas. En situaciones en las que la seguridad y la capacidad de supervivencia del hardware o los datos son primordiales, o en las que los recursos son limitados, la rápida obsolescencia a menudo plantea obstáculos para operaciones fluidas o continuas. [136]
Debido a la intensa huella de recursos y a los materiales tóxicos utilizados en la producción de computadoras, la obsolescencia genera graves impactos ambientales dañinos . Los estadounidenses desechan 400.000 teléfonos móviles cada día, [137] pero este alto nivel de obsolescencia les parece a las empresas una oportunidad para generar ventas regulares de equipos nuevos y costosos, en lugar de conservar un dispositivo durante un período de tiempo más largo, lo que lleva a la industria a utilizar dispositivos planificados. La obsolescencia como centro de ganancias . [138]
Tendencia de la longitud de la puerta del transistor Intel. El escalado de transistores se ha ralentizado significativamente en los nodos avanzados (más pequeños).
Una fuente alternativa de mejora del rendimiento son las técnicas de microarquitectura que explotan el crecimiento del número de transistores disponibles. La ejecución fuera de orden y el almacenamiento en caché y la captación previa en el chip reducen el cuello de botella de la latencia de la memoria a expensas del uso de más transistores y el aumento de la complejidad del procesador. Estos aumentos se describen empíricamente mediante la regla de Pollack , que establece que los aumentos de rendimiento debido a técnicas de microarquitectura se aproximan a la raíz cuadrada de la complejidad (número de transistores o área) de un procesador. [139]
Durante años, los fabricantes de procesadores lograron aumentos en las velocidades de reloj y el paralelismo a nivel de instrucciones , de modo que el código de un solo subproceso se ejecutara más rápido en los procesadores más nuevos sin modificaciones. [140] Ahora, para gestionar la disipación de energía de la CPU , los fabricantes de procesadores favorecen los diseños de chips multinúcleo , y el software debe escribirse en forma de subprocesos múltiples para aprovechar al máximo el hardware. Muchos paradigmas de desarrollo de subprocesos múltiples introducen gastos generales y no verán un aumento lineal en la velocidad en comparación con la cantidad de procesadores. Esto es particularmente cierto al acceder a recursos compartidos o dependientes, debido a la contención de bloqueos . Este efecto se vuelve más notorio a medida que aumenta el número de procesadores. Hay casos en los que un aumento de aproximadamente el 45% en los transistores del procesador se ha traducido en un aumento de aproximadamente el 10% al 20% en la potencia de procesamiento. [141]
Por otro lado, los fabricantes están añadiendo unidades de procesamiento especializadas para manejar funciones como gráficos, vídeo y criptografía. Por ejemplo, la extensión Parallel JavaScript de Intel no sólo agrega soporte para múltiples núcleos, sino también para otras características de procesamiento no generales de sus chips, como parte de la migración de scripts del lado del cliente hacia HTML5 . [142]
La ley de Moore ha afectado significativamente el rendimiento de otras tecnologías: Michael S. Malone escribió sobre una Guerra de Moore tras el aparente éxito de la conmoción y el asombro en los primeros días de la Guerra de Irak . El progreso en el desarrollo de armas guiadas depende de la tecnología electrónica. [143] Las mejoras en la densidad de los circuitos y el funcionamiento de baja potencia asociados con la ley de Moore también han contribuido al desarrollo de tecnologías que incluyen los teléfonos móviles [144] y la impresión 3D . [145]
Otras formulaciones y observaciones similares.
Varias medidas de la tecnología digital están mejorando a tasas exponenciales relacionadas con la ley de Moore, incluido el tamaño, el costo, la densidad y la velocidad de los componentes. Moore escribió sólo sobre la densidad de los componentes, "un componente es un transistor, resistencia, diodo o condensador", [127] a un costo mínimo.
Transistores por circuito integrado : la formulación más popular es duplicar el número de transistores en los circuitos integrados cada dos años. A finales de la década de 1970, la ley de Moore pasó a ser conocida como el límite del número de transistores en los chips más complejos. El gráfico en la parte superior de este artículo muestra que esta tendencia es válida hoy en día. A partir de 2017 [update], el procesador disponible comercialmente que posee la mayor cantidad de transistores es el Centriq de 48 núcleos con más de 18 mil millones de transistores. [146]
Densidad a coste mínimo por transistor.
Ésta es la formulación dada en el artículo de Moore de 1965. [1] No se trata sólo de la densidad de transistores que se puede lograr, sino de la densidad de transistores a la que el costo por transistor es el más bajo. [147]
A medida que se colocan más transistores en un chip, el costo de fabricar cada transistor disminuye, pero aumenta la posibilidad de que el chip no funcione debido a un defecto. En 1965, Moore examinó la densidad de los transistores a los que se minimiza el costo y observó que, a medida que los transistores se hicieran más pequeños gracias a los avances en la fotolitografía , este número aumentaría a "un ritmo de aproximadamente un factor de dos por año". [1]
Escala de Dennard : postula que el uso de energía disminuiría en proporción al área (tanto el voltaje como la corriente son proporcionales a la longitud) de los transistores. Combinado con la ley de Moore, el rendimiento por vatio crecería aproximadamente al mismo ritmo que la densidad de los transistores, duplicándose cada 1 o 2 años. Según Dennard, las dimensiones de los transistores se escalarían un 30% (0,7x) en cada generación de tecnología, reduciendo así su área en un 50%. Esto reduciría el retraso en un 30% (0,7x) y, por lo tanto, aumentaría la frecuencia de operación en aproximadamente un 40% (1,4x). Finalmente, para mantener constante el campo eléctrico, el voltaje se reduciría en un 30%, lo que reduciría la energía en un 65% y la potencia (a una frecuencia de 1,4 veces) en un 50%. [c] Por lo tanto, en cada generación de tecnología, la densidad de transistores se duplicaría, el circuito se vuelve un 40% más rápido, mientras que el consumo de energía (con el doble de transistores) permanece igual. [148] El escalamiento de Dennard finalizó en 2005-2010, debido a corrientes de fuga. [17]
El crecimiento exponencial de los transistores del procesador predicho por Moore no siempre se traduce en un rendimiento práctico de la CPU exponencialmente mayor. Desde aproximadamente 2005-2007, el escalamiento de Dennard terminó, por lo que, aunque la ley de Moore continuó después de eso, no ha producido dividendos proporcionales en un mejor desempeño. [15] [149] La razón principal citada para la falla es que en tamaños pequeños, la fuga de corriente plantea mayores desafíos y también hace que el chip se caliente, lo que crea una amenaza de fuga térmica y, por lo tanto, aumenta aún más los costos de energía. [15] [149] [17]
La ruptura del escalamiento de Dennard provocó un mayor enfoque en los procesadores multinúcleo, pero las ganancias ofrecidas al cambiar a más núcleos son menores que las ganancias que se lograrían si el escalamiento de Dennard continuara. [150] [151] En otra desviación del escalado de Dennard, los microprocesadores Intel adoptaron un FinFET de tres puertas no plano a 22 nm en 2012 que es más rápido y consume menos energía que un transistor plano convencional. [152] La tasa de mejora del rendimiento de los microprocesadores de un solo núcleo se ha ralentizado significativamente. [153] El rendimiento de un solo núcleo mejoró un 52% anual en 1986-2003 y un 23% anual en 2003-2011, pero se desaceleró a solo siete por ciento anual en 2011-2018. [153]
Precio ajustado por calidad de los equipos de TI : el precio de la tecnología de la información (TI), las computadoras y los equipos periféricos, ajustado por la calidad y la inflación, disminuyó un 16% anual en promedio durante las cinco décadas comprendidas entre 1959 y 2009. [154] [155 ] Sin embargo, el ritmo se aceleró al 23% anual en 1995-1999, impulsado por una innovación de TI más rápida, [128] y luego se desaceleró al 2% anual en 2010-2013. [154] [156]
Si bien continúa la mejora del precio de los microprocesadores ajustados por la calidad , [157] la tasa de mejora también varía y no es lineal en una escala logarítmica. La mejora de los precios de los microprocesadores se aceleró a finales de los años 1990, alcanzando el 60% anual (reduciéndose a la mitad cada nueve meses) frente a la tasa típica de mejora del 30% (reduciéndose a la mitad cada dos años) durante los años anteriores y posteriores. [158] [159] Los microprocesadores portátiles en particular mejoraron entre un 25% y un 35% por año en 2004-2010, y se desaceleraron entre un 15% y un 25% por año en 2010-2013. [160]
El número de transistores por chip no puede explicar completamente los precios de los microprocesadores ajustados a la calidad. [158] [161] [162] El artículo de Moore de 1995 no limita la ley de Moore a una linealidad estricta o al recuento de transistores: "La definición de 'Ley de Moore' ha llegado a referirse a casi cualquier cosa relacionada con la industria de semiconductores que en un semi- El diagrama logarítmico se aproxima a una línea recta. Dudo en revisar sus orígenes y al hacerlo restringir su definición." [127]
Densidad del área de la unidad de disco duro : en 2005 se hizo una predicción similar (a veces llamada ley de Kryder ) para la densidad del área de la unidad de disco duro . [163] Posteriormente, la predicción se consideró demasiado optimista. Varias décadas de rápido progreso en la densidad de área se desaceleraron alrededor de 2010, de 30 a 100% por año a 10-15% por año, debido al ruido relacionado con el tamaño de grano más pequeño de los medios de disco, la estabilidad térmica y la capacidad de escritura utilizando los campos magnéticos disponibles. [164] [165]
Capacidad de fibra óptica : la cantidad de bits por segundo que se pueden enviar por una fibra óptica aumenta exponencialmente, más rápido que la ley de Moore. Ley de Keck , en honor a Donald Keck . [166]
Capacidad de la red : según Gerald Butters, [167] [168] ex director del grupo de redes ópticas de Lucent en Bell Labs, existe otra versión, llamada Ley de fotónica de Butters, [169] una formulación que deliberadamente es paralela a la ley de Moore. La ley de Butters dice que la cantidad de datos que salen de una fibra óptica se duplica cada nueve meses. [170] Así, el coste de transmitir un bit a través de una red óptica se reduce a la mitad cada nueve meses. La disponibilidad de multiplexación por división de longitud de onda (a veces llamada WDM) aumentó la capacidad que se podía colocar en una sola fibra hasta en un factor de 100. Las redes ópticas y la multiplexación densa por división de longitud de onda (DWDM) están reduciendo rápidamente el costo de creación de redes, y parece que se lograrán mayores progresos. Como resultado, el precio mayorista del tráfico de datos colapsó en la burbuja de las puntocom . La Ley de Nielsen dice que el ancho de banda disponible para los usuarios aumenta un 50% anualmente. [171]
Píxeles por dólar : de manera similar, Barry Hendy de Kodak Australia ha trazado los píxeles por dólar como medida básica del valor de una cámara digital, lo que demuestra la linealidad histórica (en una escala logarítmica) de este mercado y la oportunidad de predecir la tendencia futura de la tecnología digital. precio de la cámara, pantallas LCD y LED , y resolución. [172] [173] [174] [175]
El gran compensador de la ley de Moore (TGMLC) , también conocido como ley de Wirth , generalmente se conoce como software bloat y es el principio según el cual las generaciones sucesivas de software aumentan en tamaño y complejidad, compensando así las ganancias de rendimiento predichas por la ley de Moore. En un artículo de 2008 en InfoWorld , Randall C. Kennedy, [176] ex empleado de Intel, introduce este término utilizando como premisa versiones sucesivas de Microsoft Office entre los años 2000 y 2007. A pesar de las mejoras en el rendimiento computacional durante este período según la ley de Moore, Office 2007 realizó la misma tarea a la mitad de velocidad en una computadora prototípica del año 2007 en comparación con Office 2000 en una computadora del año 2000.
Ampliación de la biblioteca : Fremont Rider calculó en 1945 que duplicaría su capacidad cada 16 años, si se dispusiera de espacio suficiente. [177] Abogó por reemplazar las obras impresas voluminosas y en descomposición con fotografías analógicas en microforma miniaturizadas , que podrían duplicarse a pedido para los usuarios de la biblioteca u otras instituciones. No previó la tecnología digital que vendría décadas después para reemplazar las microformas analógicas con medios de transmisión, almacenamiento y imágenes digitales. Las tecnologías digitales automatizadas y potencialmente sin pérdidas permitieron grandes aumentos en la velocidad del crecimiento de la información en una era que ahora a veces se llama la Era de la Información .
Curva de Carlson : es un término acuñado por The Economist [178] para describir el equivalente biotecnológico de la ley de Moore y lleva el nombre del autor Rob Carlson. [179] Carlson predijo con precisión que el tiempo de duplicación de las tecnologías de secuenciación de ADN (medido por costo y rendimiento) sería al menos tan rápido como la ley de Moore. [180] Las curvas de Carlson ilustran las rápidas (en algunos casos hiperexponenciales) disminuciones en el costo y aumentos en el rendimiento de una variedad de tecnologías, incluida la secuenciación de ADN, la síntesis de ADN y una variedad de herramientas físicas y computacionales utilizadas en la expresión de proteínas y en determinar las estructuras de las proteínas.
La ley de Eroom es una observación del desarrollo de fármacos que se escribió deliberadamente como la Ley de Moore escrita al revés para contrastarla con los avances exponenciales de otras formas de tecnología (como los transistores) a lo largo del tiempo. Afirma que el coste de desarrollar un nuevo fármaco aproximadamente se duplica cada nueve años.
Los efectos de la curva de experiencia dicen que cada duplicación de la producción acumulada de prácticamente cualquier producto o servicio va acompañada de una reducción porcentual constante aproximada en el costo unitario. La primera descripción cualitativa documentada reconocida de esto data de 1885. [181] [182] Se utilizó una curva de potencia para describir este fenómeno en una discusión de 1936 sobre el costo de los aviones. [183]
La ley de Haitz predice que el brillo de los LED aumenta a medida que disminuye su coste de fabricación.
La ley de Swanson es la observación de que el precio de los módulos solares fotovoltaicos tiende a caer un 20 por ciento por cada duplicación del volumen acumulado enviado. Al ritmo actual, los costos bajan un 75% aproximadamente cada 10 años.
Ver también
Cambio acelerado : aumento percibido en la tasa de cambio tecnológico a lo largo de la historia
Más allá de CMOS : posibles tecnologías lógicas digitales futuras
Ley de Wirth : adagio informático popularizado por Niklaus Wirth
Notas
^ La tendencia comienza con la invención del circuito integrado en 1958. Consulte el gráfico en la parte inferior de la página 3 de la presentación original de la idea por parte de Moore. [1]
^ En abril de 2005, Intel ofreció 10.000 dólares estadounidenses para comprar una copia del número original de Electrónica en el que aparecía el artículo de Moore. [10] Un ingeniero que vive en el Reino Unido fue el primero en encontrar una copia y ofrecerla a Intel. [11]
^ Potencia activa = CV 2 f
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enlaces externos
Wikilibros tiene un libro sobre el tema: La era de la información
Kit de prensa de Intel: publicado con motivo del 40 aniversario de la Ley de Moore, con un boceto de 1965 de Moore
Ninguna tecnología ha sido más disruptiva... Presentación de diapositivas sobre el crecimiento de los microchips
Velocidades de CPU Intel (IA-32) 1994–2005: los aumentos de velocidad en los últimos años parecen disminuir con respecto al aumento porcentual por año (disponible en formato PDF o PNG)
Hoja de ruta tecnológica internacional para semiconductores (ITRS)
Preguntas frecuentes de AC|net sobre la Ley de Moore en archive.today (archivada el 2 de enero de 2013)
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