Ist das Mooresche Gesetz noch gültig?

13th November 2017
Posted By : Alice Matthews
Ist das Mooresche Gesetz noch gültig?

Im Jahr 1965 fragte das Electronics Magazin den aufstrebenden Entwicklungsforscher für Halbleiter Gordon Moore seine Vision für die Zukunft der Chiptechnologie zu beschreiben. Moore fiel auf, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem durchschnittlichen IC jedes Jahr verdoppelte, von nur zwei Transistoren im Jahr 1959 auf „etwa 60“ im Jahr 1965 (später wurde diese Wachstumsrate auf 18 Monate geändert).

Von Mark Patrick, Mouser Electronics

Ein so schneller Wachstum schien untragbar, doch Moore stellte eine einfache aber gewagte Prognose auf, die als das „Moorsche Gesetz“ in die Analen einging. Er behauptete, diese Verdoppelung würde Jahrzehntelang weitergehen. Sollte er recht haben, könnte die Branche auf lange Zeit einen Plan erstellen, der auf die Zuversicht beruht, dass Computerleistung, Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit sich weiterhin Jahr für Jahr drastisch verbessern würden. Moore gibt inzwischen zu, seine Behauptung sei eine „ziemlich extreme Extrapolation“. Mit der von ihm definierten wesentliche Dynamik der weltweiten Halbleiterindustrie, stelle sich seine Prognose jedoch als „unglaublich genau“ heraus.

Trotz des leichten Rückgangs hat sich sein Gesetzt ein halbes Jahrhundert lang bewahrheitet. In der Zwischenzeit hat Intel, das von Moore mit gegründet wurde, enorm von einem Geschäftsmodell profitiert, das auf das ständige Wachstum und Fertigungsinnovation basiert - und von einer weltweit unstillbaren Nachfrage nach immer mehr Rechenleistung in Produkten wie Heimcomputer begleitet wird (grob in Moores Originalartikel von 1965 prognostiziert, neben selbstfahrenden Autos und Mobiltelefonen). 1971 enthielt die erste CPU von Intel, die 4004, schon 2.300 Transistoren (heutige Chips haben Milliarden). Zwischenzeitlich wurde aus Moore ein sehr reiches, respektiertes und erfahrenes Mitglied der Halbleiterwelt.

Stromunterbrecher?
Erst jetzt sagt Intel, könnte das Mooresche Gesetzt einbrechen, und andere Chiphersteller stimmen zu. Obwohl die Anzahl der Chiptransistoren weiterhin ansteigen, sind Taktgeschwindigkeit und Wärmedesign seit dem Jahr 2000 stagniert. Chiphersteller geraten immer mehr in Verzug, wenn es um die Einführung neuer, noch kleinerer Prozesstechnik geht, die lange die treibende Kraft hinter der höheren Anzahl an Transistoren sowie besserer Performance und operativer Effizienz waren. Kleinere Transistoren können schneller Schalten und verbrauchen weniger Strom - diese Aussage beunruhigt die Branche sehr (während Hersteller sich damit abmühen die Größe der Chips von 14 nm über 10 nm auf 5 nm zu reduzieren).

Verbrauchern zeigt sich diese Abschwächung auf zwei Arten. Erstens gibt es einen Engpass für herkömmliche Single-Threaded-Rechenverfahren. Kann ein wichtiger Teil eines Programms weder auf einem schnelleren CPU laufen noch parallelisiert werden, könnte es keine Möglichkeit geben ihn schneller fertig werden zu lassen und wird letzten Endes die Performance beeinflussen. Zweitens stoßen thermische Steuerungstechnologien an ihre Grenzen, da größere Dies und dichter bepackte Bausteine es erschweren die Wärme aus empfindlichen Bereichen abzuleiten.

Lösungen herstellen
Auf Seiten der Hersteller verfolgen Entwickler unterschiedliche Ansätze, um die Halbleiterentwicklung voranzutreiben. Ganz oben steht dabei ein alter Dauerbrenner der Branche: neue Materialien und Fertigungstechniken. Faszinierende Verbindungen, die das übliche Silizium in Chips ersetzen könnten sind Graphene, Siliziumgermanium und Gallium-Legierungen. Zwar eröffnen sie neue Möglichkeiten zur Verbesserung der Performance, doch werfen sie auch eine Reihe technischer Herausforderungen auf, wie abweichende thermische Eigenschaften, bei denen manche dieser exotischen Materialien vom Siliziumsubstrat absplittern und so Produktionserträge minimieren könnten.

Andere Hersteller steigen in die dritte Dimension ein, sowohl auf Mikro- als auch auf Makroebene. Die Leistung eines Transistors wird verbessert, indem seine Quelle über das Substrat, auf die gleiche Ebene wie das Gate, angehoben wird, wodurch die Oberfläche der Verbindung zwischen den beiden vergrößert wird. Der sogenannte finFET Transistor, erstmals von Intel in der 22nm-Phase vorgestellt, verbessert die Schaltgeschwindigkeit um ein Drittel und halbiert gleichzeitig den Stromverbrauch. Samsung arbeitet gerade an einer Weiterentwicklung dieses Prozesses, bei dem das Gate die Quelle umschließt. Laut Unternehmen könnte das der Schlüssel zur Produktion von 5nm-ICs sein.

Um mehr Funktionsfähigkeiten auf kleinere Chips zu bringen und Kommunikationsverzögerungen zu reduzieren, sind Chips auf Makroebene in drei Dimensionen gestapelt und geschichtet. Obwohl die Verbindung der Chips schwierig bleibt, ist diese Technik in Speicherchips schon gang und gäbe. Bei sich heiß laufenden CPUs und GPUs ist das jedoch ein Problem. Forscher untersuchen fortschrittliche Flüssigkeitskühler, die Kühlmittel über Mikrokanäle in den Kern des Chip pumpt.

Maßnahmen für Verbraucher
Am anderen Ende der Fertigungkette, also beim Endverbraucher, fangen Designer und Software-Entwickler an mehr mit der Hardware zu arbeiten, die ihnen zur Verfügung steht. Sie können einfach nicht mehr davon ausgehen, dass bestehende Probleme mit der nächsten Chip-Generation verschwinden. Damit Prozesse und Programmierparadigmen wenn möglich parallelisisert werden können, fangen Software-Entwickler an diese zu überdenken. Diese Vorgehensweise fügt sich auch hervorragend in die Entwicklung künstlicher Intelligenz und des Deep Learning ein - baut also smartere Systeme statt sich rein auf Power zu verlassen.

Für Systemintegratoren und Verbraucher stehen Mittel und Wege zur Verfügung ihre Rechenleistung zu verteilen - eine weitere Form der Parallelisierung. Das Internet of Things (IoT) ist dafür die ideale Plattform. Potentielle Rechenblockaden können verhindert werden, indem Geräte Daten vorverarbeiten und so zentrale Server nicht überlasten.

Moore weist darauf hin, dass sein Gesetz schön öfter totgesagt wurde (sogar von ihm selbst). Er ist aber immer noch voller Hoffnung, dass neue Technologien weiterhin die reine Rechenleistung erhöhen. Als er 2014 zurück dachte sagte er: „Es gab eine Reihe potentieller Hürden... die den Blick in die Zukunft um nur ein paar Generationen erschreckend aussehen ließen. Während wir uns ihnen nähern, hat es genug Entwicklungen gegeben, die diese Hürden eliminieren oder umgehen können.“





Sign up to view our publications

Sign up

Sign up to view our downloads

Sign up

European Microwave Week 2018
23rd September 2018
Spain Ifema Feria De Madrid
Connected World Summit 2018
25th September 2018
United Kingdom Printworks, London
IoT Solutions World Congress 2018
16th October 2018
Spain Barcelona
Engineering Design Show 2018
17th October 2018
United Kingdom Ricoh Arena, Coventry
Maintec 2018
6th November 2018
United Kingdom NEC, Birmingham