Cамоисполняющееся пророчество: почему перестал работать «Закон Мура»?

В 1965 году Гордон Мур сообщил, что транзисторы, являющиеся компонентами микрочипов, заметно уменьшились за шесть лет, то есть с 1959-го и предсказал, что каждые 18 месяцев количество этих устройств на той же самой основе будет удваиваться. В 1975-ом Мур подкорректировал свою оценку, увеличив её до двух лет. Это все еще экспоненциальный рост, пусть и немного менее стремительный.

Сегодня эксперты сходятся во мнении, что Мур оказался совершенно прав, хотя некоторые из них все же называют его закон самоисполняющимся пророчеством. Молодая полупроводниковая промышленность миниатюризировала транзисторы с предсказанной скоростью, и компьютеры становились все лучше, мощнее и производительнее.

Первый планарный транзистор, созданный в 1959 году, был единичным. В чипе iPhone 14 Pro количество транзисторов достигло 16 миллиардов. Наращивание этого показателя растянулось на десятилетия, и при желании можно указать несколько ярких промежуточных точек, отмечающих этот путь.



Компьютер американских «Аполлонов» обладал производительностью примерно в 15000 флопс (операций с плавающей запятой в секунду), что вчетверо меньше, чем у игровой приставки NES, которая была популярна в середине восьмидесятых. Игровая приставка Xbox (около 20 миллиардов флопс) была в десять с лишним раз мощнее iPhone 4. По сравнению с этим прогрессом развитие любой другой отрасли человеческой деятельности выглядело как неспешный черепаший шаг.

Однако в наши дни закон Мура перестал действовать. Почему это произошло?

МОП-транзисторы, производящиеся сегодня в неисчислимых объемах, не могут стать меньше. Потому что на их пути стали неумолимые законы физики. Многие из нас знают, что компьютеры работают в двоичном коде, обрабатывая нули и единицы. Делается это посредством транзисторов. Если они пропускают электрический ток, это 1, если нет, то 0. Чем больше этих элементов на чипе, тем более сложную информацию может обрабатывать компьютер и тем быстрее он это делает.

Обычно транзистор состоит из атомов кремния, «держащихся» друг за друга с помощью валентных электронов. Также в нем находятся кристаллы кремния, содержащие фосфор, со свободно перемещающимся пятым электроном, и немного бора, который из-за недостатка валентных частиц создает «дыры», заполняющиеся другими электронами.

Это увлекательная механика, о которой можно рассказывать очень долго, но нам важно, что в определенном месте транзистора образуется «обедненный слой».



Это отрицательно заряженная область, отталкивающая свободные электроны. Она препятствует протеканию тока, и компьютер «рассматривает» такое состояние как «0». Чтобы получить «1», названный слой нейтрализуется посредством подачи небольшого положительного заряда.

И все бы ничего, но современные транзисторы ужались до ширины 2 нанометра. Это всего лишь 10 атомов кремния. Дальше уже некуда, так как электроны вследствие туннельного эффекта смогут преодолевать обедненный слой и случайным образом менять нули на единицы. Дело в том, что в этом масштабе у частиц начинает проявляться квантовая неопределенность относительно того, где они находятся и как движутся.

Можно попытаться объяснить это на примере автомобильного движения. Допустим, глядя на карту города видно, что путь до нужной точки займет 25 минут. Но вы-то понимаете, что в городе могут быть пробки. Или, наоборот, он может оказаться необычно пустым. Этот самый маршрут вы преодолевали многократно, и диапазон затрат времени колебался от 15 минут до двух часов. Упрощенно, квантовый уровень отличается именно такой неопределенностью.



Когда электрон приближается к обедненному слою и бьется о барьер, он должен «отскакивать» от него. Но если преграда слишком тонка, то существует ненулевая вероятность того, что он окажется по другую сторону. Это очень примитивное описание туннельного эффекта, но мы, дабы избежать погружения в дебри квантовой физики, им и ограничимся.

В общем и целом, перед нами действительно некий физический предел, за которым существенно повышается вероятность ошибок, что в компьютерной промышленности недопустимо.