Розділ 2. Закон Мура

Квітень 1965-го

У 1965 році редакція журналу Electronics готувала ювілейний випуск до 35-річчя видання. Редактор зателефонував у Fairchild Semiconductor і попросив когось написати коротку статтю про майбутнє напівпровідників. Стаття мала бути невеликою — три-чотири сторінки.

За справу взявся директор з досліджень Fairchild, хімік за освітою, 36 років. Його звали Ґордон Мур.

Мур не любив публічних виступів. Він був тихий, ввічливий, методичний — повна протилежність харизматичному Шоклі, від якого він пішов вісім років тому разом із “вісімкою зрадників”. Свою статтю він написав за кілька вечорів. Назвав її незграбно: “Cramming more components onto integrated circuits” — “Як втиснути більше компонентів на інтегральну схему”.

У ній він зробив одне просте спостереження. З 1959 року, коли з’явились перші інтегральні схеми, кількість компонентів на одному чіпі подвоювалася кожні дванадцять місяців. Мур мав п’ять точок даних. Він намалював через них пряму лінію на напівлогарифмічному графіку і припустив: ця тенденція триватиме ще років десять.

Він помилявся. Вона тривала шістдесят.

Що він насправді сказав

Сьогодні “закон Мура” всі цитують, мало хто читав оригінал. А оригінал — дуже скромний текст. Мур ніде не казав “це закон”. Він казав: “це тенденція”. Ніде не обіцяв, що так буде вічно. І взагалі, його стаття — це переважно роздум про те, чому витрати на один транзистор продовжуватимуть падати, і як це відкриє нові ринки — зокрема домашні комп’ютери, які він прямо згадує (і для 1965-го це звучало як наукова фантастика).

У 1975-му Мур скоригував свою оцінку: не щорічно, а кожні два роки. Цю версію і почали називати “законом Мура”. Формулювання, яке ти зустрічаєш у підручниках, — “продуктивність процесорів подвоюється кожні півтора-два роки” — це вже зовсім інша річ, і вона зазвичай приписується колезі Мура, Девіду Хаусу.

Але найважливіше в “законі Мура” — не те, що сказав Мур. А те, що сталося далі.

Пророцтво, що збулося, бо в нього повірили

Статтю прочитали інженери конкурентів. І подумали: “Якщо Fairchild буде подвоюватися кожен рік, а ми ні — через п’ять років вони зроблять чіп у тридцять разів складніший за наш. Ми помремо”.

І почалися перегони.

Це те, що економісти називають самосправджувальним пророцтвом. Закон Мура не був фізичним законом, як закон Ньютона. Він був соціальним контрактом — негласною домовленістю всієї індустрії рухатися в ногу. Intel, AMD, Motorola, Texas Instruments, потім японці — NEC, Toshiba, Hitachi, потім корейці — Samsung, потім тайванці — TSMC. Усі бігли з однаковою швидкістю, бо хто відстав — вилітав.

Індустрія побудувала дорожні карти. SIA (Semiconductor Industry Association) почала публікувати документи під назвою International Technology Roadmap for Semiconductors — по суті, графік на 15 років уперед, де розписано, коли який вузол техпроцесу має вийти. 90 нм у 2004-му. 65 нм у 2006-му. 45 нм у 2008-му. І так далі.

Ця карта не була передбаченням. Вона була планом. Усі компанії дивилися в неї і підлаштовували свої R&D так, щоб потрапити у графік. Закон Мура продовжувався тому, що всі хотіли, щоб він продовжувався.

Другий закон, про який забули

Поки Мур у Каліфорнії писав свою замітку, в IBM у штаті Нью-Йорк працював інженер на ім’я Роберт Деннард. У 1974 році він опублікував статтю, яку прочитало набагато менше людей, але яка виявилася, можливо, навіть важливішою.

Деннард показав: коли ти зменшуєш транзистор удвічі в кожному вимірі (тобто у чотири рази за площею), він не просто стає меншим. Він автоматично: - працює швидше (приблизно у два рази), - споживає менше енергії (у чотири рази), - щільність потужності залишається незмінною (не перегрівається сильніше).

Це правило назвали масштабуванням Деннарда. І саме воно — а не закон Мура — було реальним двигуном прогресу.

Уяви: Мур дає вдвічі більше транзисторів. Деннард дає їх удвічі швидшими. Разом — вдвічі більше обчислень за ту саму ціну і ту саму потужність, кожні два роки, тридцять років поспіль.

Ось чому процесор 2005 року був у десять тисяч разів потужніший за процесор 1975-го за тієї самої вартості. Не один чудо-закон — два, що працювали разом.

Коли закон Деннарда помер

У 2004-2005 роках магія закінчилася. Раптом.

Транзистори продовжували зменшуватися — закон Мура ще тримався. Але вони перестали споживати менше енергії пропорційно. Причина: при розмірах менше 90 нм струми витоку (leakage currents) стали порівнюваними з робочими. Електрони почали просочуватися через ізолятори, навіть коли транзистор “закритий”. І що менший транзистор — то більше витоку.

Першою жертвою стала архітектура Intel Netburst, яка лежала в основі Pentium 4. Вона була спроектована з розрахунком на те, що частота процесора зростатиме необмежено — до 10 гігагерц. Коли у 2004 році Pentium 4 досяг 3.8 ГГц, він почав плавитися. У буквальному сенсі: щоб його охолоджувати, потрібні були радіатори більші за сам чіп. Intel мав у планах 4 ГГц “Tejas” — скасував у травні 2004-го. Стало очевидно: годинник процесора більше не ростиме.

Індустрія зробила різкий поворот. Замість підвищувати частоту — додавати ядра. Один процесор, але два обчислювальні блоки всередині. Потім чотири. Потім вісім. Дванадцять. Сьогодні у найкращих серверних чіпах — сто і більше ядер на одному кристалі.

Це був фундаментальний злам, якого більшість програмістів навіть не помітила. Розробник, який у 1995-му писав код і знав, що наступна версія того самого коду через рік працюватиме вдвічі швидше просто тому, що вийде новий процесор, раптом опинився у світі, де далі швидше — тільки якщо ти переписуєш свій код для роботи на багатьох ядрах одночасно. А це — зовсім інше програмування. Складне. Небезпечне. Помилок у паралельному коді в десятки разів більше.

Герб Саттер, відомий автор C++, написав у 2005 році статтю з пророчою назвою: “The Free Lunch Is Over” — “Безкоштовний обід закінчився”. Стаття облетіла всю галузь. Вона підсумувала те, що всі вже відчули: епоха, коли залізо автоматично робило твій код швидшим, — скінчилася.

І сам закон Мура почав сипатися

Після 2015 року вже і сам закон Мура став буксувати. Переходи на новіші техпроцеси почали затримуватись. 10 нм у Intel мав вийти у 2015-му — вийшов лише у 2019-му, з величезними проблемами. 7 нм Intel не подужав взагалі і перейшов на замовлення виробництва в TSMC.

Сьогодні у світі лишилося тільки три компанії, які можуть виробляти чіпи на передовому техпроцесі: TSMC на Тайвані, Samsung у Південній Кореї, і Intel у США. Усі вони залежать від однієї голландської компанії — ASML, яка єдина у світі робить EUV-літографічні машини. Це прилади розміром з автобус, вартістю двісті мільйонів доларів за штуку, у яких крапля олова вибухає під дією лазера, щоб створити світло довжиною хвилі 13.5 нанометра. Світло такої короткої довжини хвилі поглинається будь-яким матеріалом, включно з повітрям, — тому вся система працює у вакуумі, з дзеркалами, полірованими до атомної гладкості.

Це — єдиний у світі спосіб вирізьблювати кремній на розмірах менших за 7 нм. Увесь сучасний штучний інтелект, усі айфони, усі серверні чіпи — залежать від однієї компанії у Нідерландах.

Якби щось трапилося з ASML — прогрес чіпів зупинився б на цьому рівні, можливо, на десятиліття.

Що приходить на заміну

Останні роки індустрія вигадує обхідні шляхи. Якщо не можна зменшувати далі — треба будувати вгору і вшир:

• 3D-стекінг: складати кілька чіпів один на одного. Samsung робить так пам’ять. AMD робить так деякі свої процесори (V-Cache).
• Чиплети: замість одного великого чіпа — кілька маленьких, з’єднаних у спільному корпусі. Так зараз роблять усі процесори AMD, а також Apple M1 Ultra, M2 Ultra і далі.
• Спеціалізовані прискорювачі: замість універсального процесора — окремі блоки для конкретних задач. GPU для графіки та AI. TPU у Google для нейромереж. NPU у телефонах. DPU для мережі.
• Аналогові обчислення: повернення до аналогу, про яке ми поговоримо пізніше.

Закон Мура не помер, але перетворився. З “кількість транзисторів подвоюється” він став чимось на кшталт “корисна обчислювальна потужність на долар продовжує зростати, просто якимось іншим шляхом”. Це чесніше. Але менш магічно.

Що з цього винести

1. Закон Мура ніколи не був законом природи. Він був колективним вольовим зусиллям індустрії.
2. Справжнім двигуном швидкості був закон Деннарда, і він помер у 2004-му.
3. Після 2005-го єдиний спосіб робити програми швидшими — писати їх паралельно. Більшість програмістів досі не вміють цього робити добре.
4. Уся сучасна мікроелектроніка залежить від однієї компанії (ASML), яка виробляє один тип обладнання (EUV-літографи), знайомий жменьці інженерів у світі.
5. Ми наближаємося до фізичного дна. Що далі — ніхто не знає.

У наступному розділі поговоримо про ту саму стіну на 5 гігагерц — чому тактова частота зупинилася, чому це пов’язано зі швидкістю світла, і чому Pentium 4 виявився архітектурним глухим кутом, який навчив увесь світ обережності.