Keine Transistoren mehr: Das Ende von Moores Gesetz

Seit mindestens einem Jahrzehnt wird viel über das Ende von Moores Gesetz gesprochen und welche Auswirkungen dies auf die moderne Gesellschaft haben wird.

Seit der Erfindung des Computertransistors im Jahr 1947 hat die Zahl der Transistoren, die auf die Siliziumchips gepackt sind, die die moderne Welt antreiben, stetig an Dichte zugenommen, was zu einem exponentiellen Wachstum der Rechenleistung in den letzten 70 Jahren geführt hat.

Ein Transistor ist jedoch ein physikalisches Objekt, und da er rein physikalisch ist, unterliegt er wie jedes andere physikalische Objekt physikalischen Gesetzen. Das bedeutet, dass es eine physikalische Grenze dafür gibt, wie klein ein Transistor sein kann.

Als Gordon Moore seine berühmte Vorhersage über das Tempo des Wachstums der Rechenleistung machte, dachte niemand wirklich an Transistoren im Nanometerbereich.

Aber während wir in das dritte Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts eintreten, stößt unsere Abhängigkeit davon, mehr Transistoren in die gleiche Menge Silizium zu packen, an die Grenzen des physikalisch Möglichen, was viele zu der Befürchtung veranlasst, dass das Innovationstempo, das wirworan wir uns gewöhnt haben, könnte in sehr naher Zukunft ein kreischendes Ende finden.

Geschichte des Transistors

Der Transistor ist ein Halbleiter, der normalerweise mindestens drei Anschlüsse hat, die an einen Stromkreis angeschlossen werden können. Im Allgemeinen ist einer der Anschlüsse für die Steuerung des Stromflusses durch die anderen beiden Anschlüsse verantwortlich, was ein schnelles Umschalten in einem digitalen ermöglichtSchaltkreis.

Vor dem Transistor wurde diese Art der schnellen Schaltungsumschaltung mit einem thermionischen Ventil durchgeführt, das allgemein als alte Vakuumröhre bekannt ist.

Diese Vakuumröhren-Trioden waren erheblich größer als ein Transistor und benötigten für den Betrieb erheblich mehr Leistung. Sie sind im Gegensatz zu Transistoren keine „Festkörper“-Komponenten, was bedeutet, dass sie während des normalen Betriebs ausfallen können, da sie auf die Bewegung von Elektronen angewiesen sindfließt innerhalb der Röhre, um den elektronischen Strom zu leiten.

Dies bedeutete, dass auf Vakuumröhren basierende Elektronik groß, heiß und teuer im Betrieb ist, da sie regelmäßig gewartet werden muss, um Röhren zu ersetzen, die aus dem einen oder anderen Grund ausfallen, und somit die gesamte elektronische Maschine zum Stillstand bringen kann.

Die Transistor wurde in den Bell Labs von AT&T „erfunden“ von John Bardeen und Walter Houser Brattain, unter der Leitung von William Shockley. Obwohl der Transistor als Konzept schon etwa 20 Jahre zuvor existierte, wurde ein funktionierendes Modell eines Transistors erst gebaut, als die Arbeit bei Bell Labs abgeschlossen war. Shockley verbesserte 1948 das Design von 1947 mit dem Bipolartransistor, und diese Implementierung ging erstmals in den 1950er Jahren in die Massenproduktion.

Der nächste große Sprung kam mit der Silizium-Oberflächenpassivierung, die es Silizium ermöglichte, Germanium als Halbleitermaterial für Transistoren und später für zu ersetzen.integrierte Schaltungen.

Im November 1959 erfanden Mohamed Atalla und Dawon Kahng von Bell Labs das Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor MOSFET der deutlich weniger Energie verbrauchte und viel skalierbarer war als Shockleys Bipolartransistoren.

MOSFETs sind noch heute die dominierenden Transistoren und als einzelne Einheit das am häufigsten hergestellte Gerät in der Geschichte der Menschheit. Da MOSFETs immer kleiner gemacht werden konnten, konnten immer mehr Transistoren in einer integrierten Schaltung hergestellt werden, was immer komplexer wurdelogische Operationen.

Bis 1973 William C. Hittinger, Executive Vice President of Research and Engineering bei RCA, prahlte „mehr als 10.000 elektronische Komponenten auf einem nur wenige Millimeter großen Silizium-„Chip“ unterzubringen.“ Die heutigen Transistordichten übertreffen diese frühen Fortschritte um Größenordnungen.

Gordon Moore erfindet versehentlich das Mooresche Gesetz

Gordon Moore ist kein bekannter Name, aber seine Handarbeit findet sich in fast jedem Zuhause und Büro in der industrialisierten Welt. Obwohl er später Präsident der Intel Corporation und schließlich ihr emeritierter Vorsitzender wurde, wurde Moore nicht annähernd so geschätzt, als er 1965 beschrieb, was wir heute Moores Gesetz nennen.

Der Elektroingenieur Moore arbeitete in der Abteilung Shockley Semiconductor Laboratory von Beckman Instruments und wurde dann von Shockley selbst geleitet. Als mehrere von Shockleys Angestellten, sogar einige seiner Schützlinge, von Shockleys Führung unzufrieden wurden, machten sie sich selbstständig, um Fairchild-Halbleiter 1957 eines der einflussreichsten Unternehmen der Geschichte.

Als Director of R&D bei Fairchild Semiconductor war Moore die natürliche Person, die nach dem aktuellen Stand der Branche fragte, und so bat das Electronics Magazine Moore 1965, vorherzusagen, wo die Halbleiterindustrie in zehn Jahren stehen würde.In Anbetracht der Innovationsrate bei Fairchild hat Moore einfach in der Zeit vorwärts extrapoliert.

In den Jahren, seit Fairchild mit der Herstellung von Halbleitern begann, sanken die Kosten für die Herstellung der Komponenten und die Größe der Komponenten selbst wurde jedes Jahr um etwa die Hälfte reduziert. Dies ermöglichte Fairchild, jedes Jahr genauso viele integrierte Schaltkreise herzustellen, aber mit doppelt so vielen Transistoren wie im Jahr zuvor.

„Ich habe bei dieser Schätzung nicht viel Genauigkeit erwartet.“ Schrieb Moore 1995 . „Ich habe nur versucht, die Idee zu vermitteln, [dass] dies eine Technologie ist, die Zukunft hat und von der erwartet werden kann, dass sie auf lange Sicht einiges beitragen wird.“

„Ich denke, dass dies wirklich eine spektakuläre Leistung für die Branche ist. 35 Jahre lang auf einem solchen Exponenten zu bleiben, während die Dichte um mehrere Tausend zugenommen hat, war wirklich etwas, das schwer vorhersehbar war“, fügte Moore hinzu.

Moore's Vorhersage blieb etwa ein Jahrzehnt lang mehr oder weniger stabil, danach revidierte Moore seine Schätzungen dahingehend, dass er die Transistordichte alle zwei Jahre verdoppelte. „Ich war nie in der Lage, im Detail über die nächsten paar Generationen [von Halbleitern] hinauszuschauen. Erstaunlicherweise kommen die Generationen jedoch eine nach der anderen und halten uns auf dem gleichen Pfad“, schrieb Moore. „Die aktuelle Prognose ist, dass dies auch nicht bald aufhören wird.“ Dies mag 1995 wahr gewesen sein, aber das Mooresche Gesetz würde bald anfangen, die Grenzen der Physik zu erweitern, und es würde anfangen, sich einer existenziellen Herausforderung zu stellen.

Warum ist Moores Gesetz in Schwierigkeiten?

Das Problem mit dem Mooreschen Gesetz im Jahr 2022 ist, dass die Größe eines Transistors jetzt so klein ist, dass wir einfach nicht mehr viel tun können, um ihn kleiner zu machen.Das Gate des Transistors, der Teil des Transistors, durch den Elektronen als elektrischer Strom fließen, nähert sich jetzt einer Breite von nur noch 2 Nanometern, so die Produktionsfahrplan der Taiwan Semiconductor Manufacturing Company für 2024.

A Siliziumatom ist 0,2 Nanometer breit, was die Gate-Länge von 2 Nanometern auf ungefähr 10 Siliziumatome im Durchmesser bringt. Bei diesen Skalen wird die Kontrolle des Elektronenflusses zunehmend schwieriger, da sich alle Arten von Quanteneffekten innerhalb des Transistors selbst abspielen. Bei größeren Transistoren wirkt sich eine Verformung des Kristalls auf der Skala von Atomen nicht auf den Gesamtstromfluss aus, aber wenn Sie nur etwa 10 Atome Abstand zum Arbeiten haben, gibt es keineÄnderungen in der zugrunde liegenden Atomstruktur werden diesen Strom durch den Transistor beeinflussen. Letztendlich nähert sich der Transistor dem Punkt, an dem er so klein wie möglich ist und noch funktioniert. Die Art und Weise, wie wir Siliziumchips gebaut und verbessert haben, erreicht ihre letzte Iteration.

Es gibt noch einen weiteren potenziellen Fallstrick für das Mooresche Gesetz, und das ist einfache Ökonomie. Die Kosten für das Schrumpfen von Transistoren sinken nicht so wie in den 1960er Jahren. Bestenfalls sinken sie leicht von Generation zu Generation, aber Skalennachteile beginnen, die Herstellung zu belasten. Als die Nachfrage nach Halbleiterchips zum ersten Mal anzog, war die technische Kapazität zur Herstellung der Chips teuer, aber zumindest verfügbar. Da die Nachfrage von Smartphones über Satelliten bis hin zum Internet der Dinge in die Höhe schnellt, gibt es einfach nicht genug Kapazität, um diese Nachfrage zu befriedigen, was die Preise in jedem Schritt der Lieferkette erhöht.

Außerdem verdoppelt sich die Anzahl der Transistoren, also verdoppelt sich auch die Wärmemenge, die sie erzeugen können. Die Kosten für die Kühlung große Serverräume wird für viele Unternehmen, die die größten Käufer der fortschrittlichsten Verarbeitungschips sind, immer unhaltbarer. Während Unternehmen versuchen zu erweitern Durch die Lebensdauer und Leistung ihrer derzeitigen Geräte, um Geld zu sparen, erzielen Chiphersteller, die für die Erfüllung des Mooreschen Gesetzes verantwortlich sind, weniger Einnahmen für Forschung und Entwicklung – was wiederum teurer wird.

Ohne diese zusätzlichen Einnahmen wird es viel schwieriger, alle physischen Hindernisse für eine weitere Verkleinerung der Transistoren zu überwinden. Also, selbst wenn die physischen Herausforderungen das Mooresche Gesetz nicht beenden, wird die Nachfrage nach kleineren Transistoren mit ziemlicher Sicherheit fehlenWille.

Okay, was tun wir dagegen?

Nun, das ist an dieser Stelle die Billionen-Dollar-Frage. Wir haben die letzten 70 Jahre damit verbracht, einen beispiellosen technologischen Fortschritt zu erleben, so dass der schnelle technologische Fortschritt an diesem Punkt von fast jeder Industriegesellschaft als gegeben angesehen wird.

Wie bringt man das plötzlich zum Stillstand? Wie würde sich das überhaupt anfühlen? Was würde es bedeuten, 30 Jahre lang dasselbe iPhone zu haben? Natürlich könnten wir als Gesellschaft einfach damit umgehen. Es gibt nichts in unserer DNA, das vorschreibt, dass wir alle zwei bis drei Jahre ein neues iPhone und alle fünf einen völlig neuen Computer haben. Wir haben uns einfach an dieses Tempo gewöhntFortschritt, und wenn sich dieses Tempo ändert, würden wir uns auch daran gewöhnen.

Schließlich hat die Menschheit Computer erst seit weniger als einem Jahrhundert oder etwa 1/250.000 der Zeit, in der wir als Spezies auf diesem Planeten waren. Wir werden sicherlich einen Weg finden, solch eine katastrophale Not zu ertragen.

Alternativ können wir mit Spannung und Vorfreude auf das Ende von Moores Gesetz blicken. Widrigkeiten machen schließlich erfinderisch. Wir haben die letzten 70 Jahre damit verbracht, herauszufinden, wie wir den Transistor immer weiter verkleinern können, und jetztdieser Weg der Innovation neigt sich seinem Ende zu.

Es ist absolut nicht der einzige Weg nach vorne, und wenn wir nicht mehr all unsere Anstrengungen in die Verkleinerung von Transistoren stecken, können wir diese Energie in andere Bereiche stecken und neue Durchbrüche entdecken, die die Erfindung des Transistors im Vergleich dazu banal erscheinen lassen könnten.Wir werden es nicht wissen, bis wir diese neuen Wege der Innovation erkunden, und das Ende von Moores Gesetz könnte das Signal sein, das wir brauchen, dass es an der Zeit ist, nach einem neuen Fortschrittsmotor zu suchen.

Das Mooresche Gesetz ist tot! Es lebe das Mooresche Gesetz!

Letztendlich war das Mooresche Gesetz nie ein „Gesetz“, sondern eher ein sich selbst erfüllender Anspruch. Wir erwarteten, dass sich die Transistordichte jedes Jahr, dann alle zwei Jahre, verdoppeln würde, und so suchten wir nach Möglichkeiten, wie wir das erreichen könntenAufgabe.

Was auch immer als nächstes kommt, ob Quantencomputer, maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz oder sogar etwas, für das wir noch nicht einmal einen Namen haben, wir werden ein neues Bestreben finden, diese Innovation voranzutreiben.

Letztendlich ging es bei unserer Faszination für das Mooresche Gesetz nie wirklich um die Dichte der Transistoren. Die meisten Leute, die von Moores Gesetz gehört haben, konnten nicht einmal ansatzweise erklären, was Transistordichten überhaupt bedeuten, geschweige denn, wie ineinandergreifende Transistoren logische Schaltkreise bilden oder wie das Smartphone in ihrer Tasche funktioniert oder sogar ein Taschenrechner aus den 1970er Jahren.Gegenstand. Für die meisten von uns ging es bei Moores Gesetz immer um unsere Fortschrittserwartungen, und das liegt weitgehend an uns.

Das Mooresche Gesetz ist vielleicht in den letzten Zügen, aber wir werden ein neues Mooresches Gesetz finden, wenn wir es dringend genug wollen.