Unterabschnitte

7. Moores Law

von Stanislav Kreuzer


In dieser Proseminar-Ausarbeitung und dem zugehörigen Vortrag werden verschiedene Aspekte des im Jahre 1965 von Gordon E. Moore veröffentlichten Artikels und des aus ihm entstandenen und unter Moore'sches Gesetz bekannt gewordenen Zusammenhangs vorgestellt. Darunter fallen geschichtliche Fakten, die verschiedenen Interpretationen des Gesetzes sowie dessen Auswirkungen und Einflüsse auf die Entwicklung von integrierten Schaltkreisen.

7.1 Die Geschichte

7.1.1 Gordon E. Moore

Gordon E. Moore, geboren am 3.1.1929 in San Francisco, Californien, wurde, nach einem Studium der Chemie an der University of California in Berkley und folgenden Doktortiteln in Chemie und Physik am California Institute of Technology, Mitbegründer und späterer Chef des Fairchild Semiconductor Konzerns 1957, sowie Mitbegründer von Intel Corp. nach Verlassen von Fairchild Semiconductor 1968. Z.Z. genießt er den Titel des Chairman Emeritus, des Vorsitzenden von Intel Corp..

7.1.2 Cramming more components onto integrated circuits

Als Gordon E. Moore im Jahre 1965 diesen Artikel für das Electronics Magazine schrieb, war er danach gefragt, die Zukunft der Halbleiter- Technologie und Branche für einen Zeitraum von ungef. 10 Jahren vorherzusagen. Er schrieb darin von den potentiellen Möglichkeiten und der Eröffnung vieler neuer Wege für die Elektronik Branche und umschrieb die Vorteile von Integrierten Schaltkreisen (IC's) gegenüber den konventionellen diskreten (einzelne Transistoren, Widerstände etc.). Die Zukunft würde seiner Meinung nach elektronische Geräte für das gesamte Spektrum der Gesellschaft anbieten. Diese IC's steckten jedoch bis dahin erst in den Kinderschuhen und wurden noch vorwiegend für militärische Projekte verwendet, kommerzielle Unternehmen starteten jedoch bereits ebenfalls erste Projekte und konstruierten die ersten Maschinen unter Verwendung der IC-Technologie. Kernpunkte seiner Aussage über die Vorteile waren die mehrfach erwähnten um vieles niedrigeren Produktionskosten und Platzverbrauch von IC's bereits mit den zu der Zeit vorhandenen Methoden bei gleichbleibender Funktionalität und sogar höherer Zuverlässigkeit, was er unter anderem mit der auf IC's aufbauenden erfolgreichen Apollo Mission demonstrierte. Im weiteren Verlauf nach Moore's Zukunftsaussichten, würde die IC-Technologie versuchen die Dichte der Komponenten zu erhöhen und komplexere Strukturen auf kleinerem Raum unterzubringen oder diese aus einfachen kleineren IC-Bauteilen herzustellen. Der Teil seines Artikels, der um die Welt ging und später als Moore's Law bekannt wurde, handele im Original zunächst jedoch nicht von der linearen Verdopplung der Rechenleistung in Abhängigkeit der Zeit. Moore schrieb in seinem Artikel nämlich folgendes:
``The complexity for minimum component costs has increased at a rate of roughly a factor of two per year. Certainly over the short term this rate can be expected to continue, if not to increase. Over the longer term, the rate of increase is a bit more uncertain, although there is no reason to believe it will not remain nearly constant for at least 10 years.`` (Moore 1965)
Das was sich seiner Aussage nach jährlich verdoppelte, war zunächst nur die Dichte bzw. Komplexität oder Anzahl an Transistoren (Komponenten) pro Fläche, mit der IC-Bausteine aus einer ``Rohling``-Platine bei minimalen Kosten hergestellt werden konnten. Anschaulich kann man sich das wie folgt vorstellen: Implementierte man zu komplexe Funktionen zu gegebener Zeit in einem IC-Baustein, wuchs ebenfalls auch die Anzahl enthaltener Komponenten des IC's und seine Größe, dies trieb die Kosten für Produktion durch hohe Anforderungen an die zeitgemäße Technologie (höhere Integrationslevel) und größere Produktionsfehlerwahrscheinlichkeit wegen größerer ``Angriffsfläche`` in die Höhe. Andernfalls, bei zu einfachen Funktionen, bleiben die Kosten wegen der höheren Ausgaben für das ``Verpacken`` der IC-Komponeneten, damit das Versehen mit Anschlüssen etc. gemeint, ebenfalls hoch. Es ist klar, dass es zu gegebener Zeit immer ein Optimum der Produktion bei bestimmter Komplexität von IC-Bausteinen in Verbindung mit den Kosten geben musste. Auf den folgenden Bildern aus dem Artikel von Moore ist zu sehen, dass diese Komplexität der Bausteine bzw. die Anzahl der Komponenten des kostenminimalen IC's (Optimum) sich nach Moore jedes Jahr verdoppelte (rechts) während das Optimum selbst auf der Kostenachse sank (links):
Abbildung 7.1: Die Graphen
\begin{figure}\begin{center}
\parbox{13.5cm}
{
\epsfxsize 13.5cm
\epsffile{bilder/graphik.eps}
}\end{center}\end{figure}

Nach Moore's Berechnungen sollte es 1975 möglich sein bis zu 65000 Komponenten auf einem IC unter minimalen Kosten herstellen zu können. Moore ging es zu der Zeit also nicht um Rechenleistung etc., sondern um Produktion und Minimierung von Produktionskosten von IC-Komponenten, um die Zukunft der IC-Technologie und deren Rolle darin, um die Vorstellung, Elektronik billig und für jeden zugänglich machen zu können. Diese Stelle wurde jedoch von vielen Medien und ``Experten`` umgedeutet und mißverstanden, sowie auch später von Moore persönlich revidiert, was schließlich zu dem heutigen Moore's Law führte.

7.2 Interpretationen und Einflüsse - Die Artenvielfalt von Moore's Law

Wenn heute der Name Moore's Law fällt, dann hat das nicht mehr mit Komplexität und Kosten von IC-Komponenten zu tun, sondern hat sich größtenteils weiterentwickelt zu verschiedenen Aussagen über sich verdoppelnde Prozessorleistung, wobei manche von Moore erwähnte Aspekte untergingen während andere ``zugedichtet`` wurden. Im Jahre 1975 vollzog sich die erste Wandlung, als Moore selbst auf einer Konferenz des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) seine Beobachtung revidierte und ihre Bedeutung änderte. Im Zuge des Geschehens waren die Innovationen und Raffinessen von Design und Struktur der IC's seiner Meinung nach fast aufgebraucht, so dass die Verdopplung in ihrer ersten Fassung sich auf alle 2 Jahre verlangsamen würde. Darüberhinaus konzentrierte er die Bedeutung seiner Beobachtung nun nicht mehr auf Komplexitäten und IC's minimaler Kosten, sondern nur auf maximale Komplexitäten von existierenden IC's zu gegebener Zeit. 1979 sah Moore seinen Graphen nun als Limit theoretisch erreichbarer Komplexität von IC's zu gegebener Zeit. Die Tatsache, dass die Praxis zunehmend darunter lag, erklärte er damit, dass es zunehmend zum Problem wurde Systeme zu konstruieren, die von solcher Komplexität profitieren könnten. Nach 1980 erfuhr Moore's Law jedoch die meiste ``Evolution``, diesmal von außerhalb. Zunächst wurden aus der Verdopplungszeit von 2 Jahren plötzlich 18 Monate, auf die sich nun auch u.a. Intel, IBM und viele weitere Magazine und Experten mit hohem Ansehen beriefen. Dies hatte Moore nie behauptet. Des weiteren brachte die ``Evolution`` drei nun weit verbreitete Nachfolger von Moore's Law:
  1. Verdopplung der Verarbeitungsgeschwindigkeit auf einem Elektronik-Chip alle 18 Monate
  2. Verdopplung der Rechenleistung alle 18 Monate
  3. Halbierung des Preises für Rechenleistung alle 18 Monate
Obwohl jeder Ansatz für sich durchaus gültig sein kann, haben doch alle drei nicht mehr wirklich viel mit Moore's Originalfassung und sogar der ersten Interpretation zu tun. Denn hängt die Verarbeitungsgeschwindigkeit eines Chips nicht nur mit der Anzahl der enthaltenen Komponenten zusammen, sondern ist eher Zusammenspiel dieser mit Chip- und Umgebungsdesign (Umgebung, mit der er interagiert), welches nie Teil von Moores Aussagen und Arbeit war. Rechenleistung an sich beinhaltet die zusätzlichen Faktoren des ersten Nachfolgers, zuzüglich aber auch noch eine Aussage über die Verwendung von Hardware u.a. verschiedener Designs und stellt damit Rechenleistung, die auch von Software und anderen Faktoren abhängig ist, zur Komponentanzahl eines Prozessors in Verhältnis. Mit der dritten Variante kommt auch noch der Preis pro Rechenleistung mit zum Restlichen dazu. Man kann deutlich sehen, dass die Originalfassung von Moore's Law sehr schnell ihre Gültigkeitsgrenzen erweiterte, je mehr die IC-Technologie und vor allem die Rechnertechnologie an Bedeutung gewann. Moore's Law wurde im Zuge der Zeit zu einem Maßstab für Innovation und Fortschritt für die Halbleitertechnologie, der sie und den Wettbewerb immer weiter und weiter antrieb und antreibt um dadurch im Endeffekt selbst weiter die Gültigkeit zu behalten. Dazu ein interessantes Statement eines Fachmanns der Branche:
``Moore's Law is important because it is the only stable ruler we have today,(...) It's a sort of technological barometer. It very clearly tells you that if you take the information processing power you have today and multiply by two, that will be what your competition will be doing 18 months from now. And that is where you too will have to be.`` (Malone 1996)

7.3 Zukunft und Limits von Moore's Law

Betrachtet man die Zusammenhänge, die Moore's Law Gültigkeit verschaffen, so muss man kein Experte sein um feststellen zu können, dass Komponentendichten nicht auf ewig weiter steigen können, spätestens begrenzt durch die kleinst mögliche Komponentengröße - die Atome. Ebenso stellt sich den Unternehmen immer mehr und mehr die Frage von Leistungsdichten u. Verteilungen. Die Kühlung der Chips wird mehr und mehr zum Problem, das bald nicht mehr zu lösen sein wird. In der Tat haben sich vor allem in der letzten Zeit viele mit dem Moore's Law verbliebenem Gültigkeitszeitraum (direkt und indirekt) beschäftigt, und berufen sich darauf, dass Limits in Design, Herstellung oder Herstellungskosten sehr bald erreicht sein werden, da Verdopplung in konstanten Zeitabschnitten (Moore) exponentielles Wachstum bedeutet. Viele Spekulationen über eine Erweiterung der Gültigkeitsdauer beruhen auf der Einführung von Quanten-, Bio-, und DNA-Rechnern, was jedoch z.Z. nicht viel mit der Halbleitertechnologie gemein hat, eher mit Science-Fiction. Trotz allem gibt es Hoffnung, denn Moore's Law ist kein statisches Gesetz, sondern vielmehr eine Richtlinie, die vor allem durch den in sie gesetzten Glauben weiter gelebt hat und fortwährend dazu engagierte weiterhin an sie zu glauben und das Nötige für ihr Fortbestehen zu schaffen / herzustellen. So konzentriert sich die Halbleitertechnologie in Anbetracht der Tatsachen nun mehr und mehr auf die zweite Ausprägung von Moore's Zukunftsaussichten von 1965 - statt immer komplexere und dichtere Einzel-Chips herzustellen nun darauf umzusteigen kleinere herzustellen und diese auf ``Board-level`` zu verbinden, vor allem deswegen, dass Fabriken-Baukosten für State-of-the-Art Einzel-Chips und diese selbst immer unrentabler werden. Dies geht auch mit der Entwicklung des Verbraucherdenkens einher, welches nicht mehr darauf setzt die überaus teure Super-CPU zu besitzen, da vor allem die meisten Anwendungen (bis auf diverse Spiele) solch eine überhaupt nicht mehr nötig haben und mit dem vorhandenen prima auskommen, sondern auf ``Hardware/Software Codesign``, Eingebettete Systeme, auf eine möglichst leistungs- und kosteneffiziente in einem Laptop, PDA, etc. verteilte Hardwarelösung. Auch dies war Teil von Moore's Originalaussage - das Streben zu billiger für jeden zugänglicher Elektronik. Insofern kann Moore's Law auch über die o.g. Grenzen fortbestehen, denn es ist ``anpassungsfähig``, war nie wirklich genau spezifiziert und diente auch für Moore selber vor allem eher als Motivation für Halbleitertechnologie und Innovation, und nicht als Gegebenheit. Moore antwortete selbst auf die Frage nach den Limits in einem Interview 2000:

``We'll just change the coefficient of Moore's law (laughs). That doesn't mean the end of progress. A lot of the advances we've made in the semiconductor technology have been the result of making things smaller and smaller.(...) But you are right. There is a limitation.(...) But there are other directions we can continue to move in.(...) Before we get to that point we will be putting literally billions of transistors on a logic chip, and the flexibility that leaves for the designers to come up with ways of using that transistor budget is fantastic. Innovation isn't going to stop just because we can't make things smaller any more.(...)`` (Moore 2000)
Moore's Law wird somit Gültigkeit behalten können, solange Fortschritt und Innovation in der Halbleitertechnologie noch an sich nicht erschöpft sind, es hat sich bisher mit dem Angebot und der Nachfrage in der Branche entwickelt, und es gibt keinen Grund, wieso es das nicht auch weiterhin tun könnte.



Dr. Bernd Klauer 2004-07-22