Die kontinuierliche Weiterentwicklung des Mooreschen Gesetzes

Nach mehr als einem halben Jahrhundert ist das Mooresche Gesetz immer noch der Schrittmacher der Digitaltechnik. Wir haben Intels CTO Mike Mayberry nach seiner Meinung befragt.

Von Mike Mayberry, Intel Chief Technology Officer

Das Mooresche Gesetz ist tot – lang lebe das Mooresche Gesetz! Dies war die Essenz der Diskussionen beim diesjährigen ERI-Summit (Electronics Resurgence Initiative) der DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency).

Um diese Diskussion verstehen zu können, müssen wir uns erst einmal darüber verständigen, was das Mooresche Gesetz eigentlich genau besagt.

„Moore hat sich bei seiner Beobachtung nicht auf die Leistung bezogen. Bezüglich der Leistung wenden wir uns Robert Dennard und Fred Pollack zu.“

Gordon Moores ursprüngliche Beobachtung im Jahr 1965 war, dass die Kosten pro Funktion sanken, wenn mehr Funktionen in einen integrierten Schaltkreis (IC) gepackt wurden. Der erste Teil dieser Betrachtung betrifft wirtschaftliche Aspekte - und die wesentliche Aussage hat nach wie vor Gültigkeit, obwohl sich die zugrunde liegende Technik und der Umfang der Verbesserungen weiterentwickelt und ausgedehnt haben.

Moore hat sich bei seiner Beobachtung nicht auf die Leistung bezogen. Bezüglich der Leistung wenden wir uns Robert Dennard und Fred Pollack zu. Im Jahr 1974 beobachtete Robert Dennard, dass sich mit kleiner werdenden Transistoren Verbesserungen bei Größe, Taktfrequenz und Stromverbrauch der ICs erzielen ließen – falls man die Funktionsmerkmale und die Betriebsspannung im richtigen Maße skalierte. Und Fred Pollack von Intel stellte fest, dass die Verdopplung der Komplexität eines Mikroprozessors zu einer Steigerung bei der Verarbeitungsleistung um den Faktor Wurzel aus 2 führte.

Mit diesen Vorgaben können wir für den Nutzwert ein Dreieck mit den Eckpunkten Preis, Integration und Leistungsfähigkeit konstruieren.

Was ist also gemeint, wenn behauptet wird, das Mooresche Gesetz sei tot? Oftmals sind damit eine oder mehrere Seiten des Dreiecks gemeint, aber eben nicht speziell Moores (wirtschaftliche) Seite.

Erstens: Wenn darüber geklagt wird, dass die Kern-Taktfrequenzen der CPUs nicht länger in dem Maße ansteigen, wie das in den 1990er-Jahren der Fall war, dann bezieht sich das im Grunde auf die Dennard-Skalierung. Mit unserer Entwicklung sind wir Dennard nie vollständig gefolgt, waren in den 1990er-Jahren aber am nähsten dran.

Zweitens: Wenn darüber geklagt wird, dass PCs nicht mehr deutlich schneller zu werden scheinen, dann bezieht sich das auf Pollacks speziell auf die CPU gemünzte Beobachtung - wobei Probleme der Abhängigkeit vom Netzwerk- und Systemspeicherzugriff außer Acht gelassen werden. Die meisten Computerarchitekturen sind heutzutage an Arbeitsspeicher gebunden und viele unserer tagtäglichen Anwendungen kommen nicht ohne Netzwerkzugriff aus. Lediglich eine schnellere CPU zu entwickeln, ohne sich den Speicher- und Netzwerkengpässen zu widmen, führt nur zu minimalen Leistungsverbesserungen.

Der dritte Diskussionsstrang lässt sich allerdings nicht anhand des Dreiecks verdeutlichen; er betrifft einen ökonomischen Faktor: die steigenden Kosten für das High-End-Design. Manche Menschen können es sich nicht leisten, an einer neuen Prozesstechnik mit immer kleineren Halbleiterstrukturen teilzuhaben, weil die Technik zu teuer ist. Das kann dann zu Behauptungen wie „Wir brauchen das sowieso nicht.“ führen.

Derartige Diskussionen gibt es schon seit den frühen 2000er-Jahren. Technologen ignorieren diese Debatte und erzielen immer weitere Fortschritte. Hier ist ein Beispiel aus zehn Jahren Fortschritt : Ein speziell angefertigtes System mit den Ausmaßen einer Mikrowelle ist auf die Maße eines großen Taschenbuchs geschrumpft. Und das neue System übertrifft die Leistung des alten! So entsteht wirtschaftlicher Nutzen durch Integration – die Quintessenz des Mooreschen Gesetzes –, und daneben ein sich ständig verbesserndes Verhältnis von Stromverbrauch zur Verarbeitungsleistung, trotz des Endes der Dennard-Skalierung.

Die CMOS-Skalierung ist noch nicht zu Ende, und wir erreichen kontinuierliche Fortschritte, während wir unsere Fähigkeiten im Bereich der Fertigungssteuerung weiter verbessern. Es ist weniger die Physik, die uns Grenzen setzt, als vielmehr unsere Fähigkeit, große Stückzahlen mit hoher Präzision zu produzieren. Es ist schwierig, aber wir erwarten, dass die Entwicklung dennoch weitergeht.

Mit unserer 22-nm-Prozesstechnik haben wir die Halbleiterstrukturen in Form von Trigate-Transistoren (FinFET) in die dritte Dimension ausgedehnt. Aber ein noch besseres Beispiel ist unser im Mai angekündigter NAND-Flash-Speicher mit 96 Lagen und 4 Bit pro Zelle, der es auf eine Kapazität von bis zu 1 Terabit pro Die bringt. Dies ist nach dem Ende der Dennard-Skalierung ein eindrucksvolles Beispiel dafür, wie in einen Die mehr Funktionen gepackt werden können, ohne die Strukturen weiter zu verkleinern. Wir gehen davon aus, dass sich mit der Zeit auch die Logikschaltungen stärker in Richtung 3D entwickeln.

Als Beispiel haben wir einige vielversprechende Forschungsbauelemente – Tunnel-FET und ferroelektrisch –, die das Verhältnis von Stromverbrauch zu Verarbeitungsleistung drastisch verbessern können. Leider sind sie kein einfacher Ersatz für CMOS. Wir werden sie daher voraussichtlich auf eine heterogene Art und Weise integrieren, wahrscheinlich als Schichten, und so die bewährte skalierte CMOS-Technik mit den neuartigen Funktionen dieser neuen Bauelemente kombinieren.

CMOS-Skalierung + 3D-Prozesse + neuartige Funktion = Zukunft des Mooreschen Gesetzes
Heterogene Systeme + neuartige Datenverarbeitung = zukünftige Produktentwicklung

Und angesichts der explosionsartigen Zunahme der Datenmengen und -typen wollen wir zügig neuartige Architekturen integrieren, die auf die neue Welt der Daten zugeschnitten sind. Wenn wir dabei einem heterogenen Ansatz folgen, kommen wir nicht nur schneller voran, sondern können auch Bausteine mehrerer Teams kombinieren.

Neue Architekturen, die Speicher- und Rechentechnik kombinieren, sind ein Beispiel für Datenverarbeitung, bei der die Pollack-Gesetzmäßigkeit nicht mehr gilt. Ein Beispiel ist „Loihi“, Intels neuromorpher Forschungs-Chip. Anwendungen der künstlichen Intelligenz verwenden generell andere Muster für den Speicherzugriff und können, verglichen mit herkömmlicher Software, von anderen Datenverarbeitungsarchitekturen profitieren.

Mit Blick auf all die genannten Aspekte erwarten wir, dass die aus dem Mooreschen Gesetz ableitbaren ökonomischen Vorteile weiterhin Gültigkeit behalten, auch wenn sich die Bauelemente von denen unterscheiden, die es gab, als Moore seine ursprüngliche Beobachtung machte. Wir sollten uns durch die Diskussion nicht ablenken lassen, sondern auch in den kommenden 50 Jahren immer bessere Produkte entwickeln.

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