As leis de Moore são leis empíricas que se relacionam com a evolução do poder de computação dos computadores e a complexidade do hardware .
A primeira dessas leis foi emitida pelo engenheiro Gordon E. Moore em 1965, quando postulou a continuação da duplicação da complexidade dos semicondutores a cada ano a um custo constante. Dez anos depois, Moore ajustou sua previsão para dobrar o número de transistores em um chip microprocessador a cada dois anos. Este segundo postulado mostrou-se particularmente correto, e popularizou o termo "lei de Moore", de modo que esta acabou se estendendo à duplicação de qualquer lotação em determinado momento.
O primeiro microprocessador ( Intel 4004 ) foi inventado em 1971 . Era uma unidade de computação de 4 bits , com clock de 740 kHz e integrando 2300 transistores. A capacidade de integração dos transistores e o aumento da finura da gravação melhoraram o desempenho dos processadores.
A interpretação errônea da lei de Moore sobre a frequência do relógio foi mais ou menos verificada desde 1973 e deveria, teoricamente, ter continuado até 2015, antes de nos depararmos com os efeitos do ruído parasitário ( efeitos quânticos , decaimentos alfa ). Desde 2004 , a frequência dos processadores tende a estagnar devido às dificuldades de dissipação térmica, que evitam o aumento da frequência apesar do menor tamanho dos componentes. Em 2016, as frequências do processador se aproximaram do limite de 5 GHz . Um recorde de 500 GHz é quebrado pela IBM (em cooperação com a Georgia Tech ) com um transistor equipado com um chip baseado em silício-germânio que, para a ocasião, foi resfriado a -269 ° C com hélio líquido. Este transistor ainda opera a 350 GHz em temperatura ambiente. Em 2018, a Intel quebrou a marca de 7,5 GHz com seu processador Core i9-9900K otimizando o uso de nitrogênio líquido para o sistema de resfriamento .
No entanto, a segunda lei de Moore é sempre respeitada, devido à capacidade de integração dos processadores, ainda em evolução, o que permite contornar a estagnação da frequência ao dobrar o número de transistores em um chip, mantendo-se a frequência por sua vez inalterada (Dual PowerPC em 2002 , Dual IA em 2004 , Intel Core Duo em 2006 ).
Além disso, estamos experimentando com Chips operando em modo totalmente assíncrono . A ideia de circuitos assíncronos não é nova, pois foi testada em 1951 com o IAS e em 1952 com o ORDVAC. Vemos de fato que a simples transmissão do sinal do relógio para todos os componentes pode consumir metade do espaço e da energia elétrica dos microprocessadores do ano 2000.
O uso de processamento paralelo tornou-se, durante os anos 2000, necessário para a Lei de Moore permanecer válida. Durante anos, os fundadores do processador foram capazes de fornecer aumentos da taxa de clock e melhorias no conjunto de instruções em paralelismo, de forma que aplicativos single-threaded rodam muito mais rápido em uma máquina. Nova geração de processadores sem que nenhuma modificação seja necessária. Agora, para gerenciar melhor a potência dissipada (diretamente ligada à frequência do clock), os fundadores preferem arquiteturas multi-core. Isso tem um impacto extremamente grande no software, que deve ser escrito e especialmente adaptado para aproveitar as vantagens do hardware.
Outro fator pode retardar o andamento do desempenho do processador, que desta vez não tem nada físico, mas financeiro . O custo das linhas de produção também está aumentando exponencialmente, a tal ponto que até mesmo gigantes concorrentes como a IBM e a Siemens tiveram que unir seus investimentos para conseguir acompanhar.
A rentabilidade das novas gerações de máquinas depende de um futuro incerto para dizer o mínimo (muitos usuários de PC, por exemplo, estão começando a tomar como critério prioritário de escolha não mais a velocidade de um PC, mas seu nível de ruído ) e poderia ser que nessas condições é uma decisão econômica, e não um nível físico, que põe fim à lei de Moore.
Máquinas cada vez mais poderosas disponibilizadas aos desenvolvedores têm efeitos perversos. Na época dos processadores "lentos" das décadas de 1980 e 1990 , os desenvolvedores investiam muito tempo na otimização de programas e cada linha de código que podia ser salva economizava ciclos de clock e, portanto, aumentava rapidamente. Os computadores atuais oferecem conforto de trabalho que tem o efeito de reduzir a vigilância dos desenvolvedores. Além disso, as restrições econômicas nos obrigam a sempre produzir com pressa, e o tempo gasto anteriormente para otimizar o código foi sacrificado. Portanto, hoje nos deparamos com um paradoxo: os computadores são cada vez mais rápidos, mas os softwares cada vez mais pesados e lentos (ver a lei de Wirth ).
Finalmente, o usuário não tem a sensação de um aumento real na velocidade, especialmente para tarefas básicas como processamento de texto . Muitos usuários ainda se arrependem de mais computadores "rústicos" que, privado de todos os dispositivos com os quais os sistemas são carregados hoje, poderia revelar-se mais eficiente em termos de produtividade .
Outro fator, sem dúvida, explica melhor a falta de sensação de progresso: os outros componentes dos computadores não evoluíram necessariamente com tanta rapidez. Em um computador moderno com discos rígidos mecânicos, são eles o fator limitante na experiência do usuário. Um computador é um sistema como uma corrente: o componente mais lento decide a velocidade do todo. A adição de RAM ou a instalação de um armazenamento SSD em um sistema obsoleto ou low-end permite um ganho de reatividade (iniciar a máquina, iniciar programas, parar), muitas vezes mais apreciado pelo usuário do que um aumento na velocidade do processador.
A Lei de Moore também pode ser de interesse econômico no controle da demanda pela distribuição de suprimentos destilados. Na verdade, a miniaturização progride em princípio graças a descobertas e otimizações ocasionais, uma realidade que dificilmente se conforma à regularidade da evolução exponencial especificada pela lei de Moore. Ao controlar a difusão de novas aplicações tecnológicas ao longo do tempo, é possível que os próprios gigantes de semicondutores definam um modelo estável de consumo , e, assim, garantir uma correspondência entre seus esforços de inovação e os desejos de renovação de seus clientes. O fornecimento autolimitado obrigaria, portanto, os consumidores a atualizar regularmente seus equipamentos. Para ser eficaz, no entanto, essa autolimitação da oferta teria de contar com uma forte cartelização do mercado.
Neste caso, bastante comum na história do capitalismo , as leis do mercado favorecem a contenção da inovação para garantir uma renda a todo o setor em causa
A lei de Moore provou surpreendentemente precisas até o início do XXI th século.
Em 1999 , o chamado transistor CMOS "definitivo" desenvolvido no CEA-Leti em Grenoble levou o princípio do transistor MOSFET aos seus "limites" com uma seção de 18 nanômetros (a dimensão de cerca de 70 átomos colocados lado a lado), ou seja, sete vezes menor do que o menor transistor industrial de 2002 (123 nm em 2002, 83 nm em 2003, 65 nm em 2005, 45 nm em 2008, 32 nm em 2010, 22 nm em 2012, 14 nm em 2016, 7 nm em 2019). Isso permitiu um grau teórico de integração de sete bilhões de junções em uma moeda de um euro. Mas, este foi apenas um experimento de pesquisa simples para estudar como as técnicas de CMOS funcionam ao abordar o tamanho molecular.
O custo da técnica que permite a produção de chips incorporando cada vez mais transistores está aumentando em proporções vertiginosas. Outra regra do Vale do Silício , a Lei de Rock , afirma que o custo de fabricação de uma fundição de chips dobra a cada quatro anos porque o processo de fabricação usado por quarenta anos, a fotolitografia , sempre se aproxima mais de seus limites físicos. Assim, em 2004, a Intel anunciou um investimento de mais de dois bilhões de dólares em sua fábrica Fab12 no Arizona para a fabricação de chips de wafers de 300 mm de diâmetro, que substituíram os wafers de 200 mm no final de 2005 .
Para fabricar transistores cada vez menores, usa-se radiação de comprimento de onda cada vez menor e a corrida pela miniaturização levará à fotolitografia no espectro de raios-X cada vez mais severo (radiação ultravioleta, depois raios-X, etc.). Mas, nessa faixa de comprimentos de onda, torna-se difícil, senão impossível, concentrar os raios de maneira eficaz. Em meados da década de 1990 , considerou-se que não era possível fabricar industrialmente transistores de menos de 400 átomos (100 nm ) em seção transversal com tal processo. Na indústria de silício, esse limite é denominado “ a parede ”.
Em 2021, considera-se que a Lei de Moore está se aproximando de seu limite. Até então, o número de transistores microprocessados tem progredido porque são cada vez menores graças ao aumento da finura da gravação, mas não poderá cair abaixo de um determinado valor. Para continuar a aumentar o número de transistores na mesma superfície, está prevista a construção vertical de chips 3D. Os transistores não serão menores, mas seu número aumentará como se seu tamanho tivesse sido reduzido.
Alguns comentaristas questionam a relevância da Lei de Moore para a sustentabilidade :
Novas necessidades ( computação “verde” , redução no tamanho de computadores com netbooks e tablets, etc.) são expressas menos em termos de milhões de transistores por mm² do que em desempenho por energia consumida.
Além disso, é interessante reduzir o processamento de uma tarefa interativa de 20 segundos para 2 segundos e depois para 200 ms . Então, diminuí-lo para 20 ms não necessariamente adiciona nada, e certamente nada se essa tarefa for isolada. Enquanto as necessidades industriais exigem cada vez mais energia, o mesmo não se aplica indefinidamente às necessidades individuais.
Estamos a assistir ao surgimento de necessidades de stakeholders empresariais, que exigem que sejam tidos em consideração os impactos ambientais e sociais da sua atividade ao nível do desenvolvimento sustentável .
Um relatório de informação do Senado francês sobre novas tecnologias de informação cita a Lei de Moore como a principal aceleração técnica das últimas décadas. Este relatório sublinha a necessidade de definir um sistema de valores na nova sociedade da informação, que evite o cientificismo .
Nesse contexto, temos que avaliar o desempenho por watt .
A lista Green500 classifica os supercomputadores da lista TOP500 em termos de eficiência energética . Isso é medido em FLOPS por watt .
O fabricante de TI Bull abandonou a Lei de Moore em seus objetivos e agora mantém a relação desempenho / energia em seus planos de TI verde .
Alguns fabricantes como a ARM introduzem processadores que não buscam mais seguir a Lei de Moore. Seus processadores de 2009 às vezes têm 100.000 transistores, o que é menos do que um processador Intel 286 12 MHz de 1982 , mas consome apenas um quarto de watt , equipando em 2009 uma dúzia de modelos de netbooks rodando Linux ou outros sistemas operacionais .
A criação, em 2007, da Climate Savers Computing Initiative , que se propunha a reduzir pela metade o consumo de energia dos computadores, provavelmente assinou a sentença de morte da Lei de Moore.
Quando a Lei de Moore atingir seus limites, uma mudança de paradigma consistirá na transição da microeletrônica para as nanotecnologias , ou seja, um conjunto de técnicas radicalmente diferentes, complementares ou concorrentes, como o uso de nanotubos em transistores moleculares, computadores de DNA , computação quântica ... Tecnologias comumente agrupadas sob o termo " nanocomputadores " que notavelmente apresentam os sistemas ubíquos e a computação difusa.
No Intel Developer Forum emsetembro de 2007, Gordon Moore previu que sua lei de dobrar o número de transistores em um chip a cada dois anos não seria válida em dez a quinze anos. Na verdade, a indústria está se aproximando cada vez mais dos limites físicos da microeletrônica, onde os transistores consistirão apenas em alguns átomos e os isolarão uns dos outros. A indústria terá então que procurar métodos inteiramente novos, como o empilhamento de transistores em três dimensões.
Dentro fevereiro de 2016, o fim da Lei de Moore é anunciado pelo International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) que aprova oficialmente o abandono desta lei, o ritmo simplesmente não é mais sustentável. Nesta ocasião, o ITRS muda de nome e estratégia, passando a se chamar Roteiro Internacional para Dispositivos e Sistemas . Seu novo roteiro é intitulado More than Moore em referência ao abandono da estratégia More Moore , que permitiu que os investimentos da indústria fossem fixados em um nível que permitiu que a Lei de Moore permanecesse válida.
(Indicado por Gordon Bell em sua apresentação " Leis da computação ")
De acordo com a Lei de Moore:
Embora a Lei de Moore seja muito espetacular, ela não deve obscurecer outros avanços que às vezes são superiores a ela: