Hukum Moore

Hukum Moore adalah salah satu hukum yang terkenal dalam industri mikroprosesor yang menjelaskan tingkat pertumbuhan kecepatan mikroprosesor. Diperkenalkan oleh Gordon E. Moore salah satu pendiri Intel. Ia mengatakan bahwa pertumbuhan kecepatan perhitungan mikroprosesor mengikuti rumusan eksponensial.

Perkembangan teknologi dewasa ini menjadikan Hukum Moore semakin tidak relevan untuk meramalkan kecepatan mikroprossesor. Hukum Moore, yang menyatakan bahwa kompleksitas sebuah mikroprosesor akan meningkat dua kali lipat tiap 24 bulan sekali, sekarang semakin dekat ke arah jenuh. Hal ini semakin nyata setelah Intel secara resmi memulai arsitektur prosesornya dengan code Nehalem. Prosesor ini akan mulai menerapkan teknik teknologi nano dalam pembuatan prosesor, sehingga tidak membutuhkan waktu selama 24 bulan untuk melihat peningkatan kompleksitas tetapi akan lebih singkat.

Saat ini Hukum Moore telah dijadikan target dan tujuan yang ingin dicapai dalam pengembangan industri semikonduktor. Peneliti di industri prosesor berusaha mewujudkan Hukum Moore dalam pengembangan produknya. Industri material semikonduktor terus menyempurnakan produk material yang dibutuhkan prosesor, dan aplikasi komputer dan telekomunikasi berkembang pesat seiring dikeluarkannya prosesor yang memiliki kemampuan semakin tinggi.

Secara tidak langsung, Hukum Moore menjadi umpan balik (feedback) untuk mengendalikan laju peningkatan jumlah transistor pada keping IC. Hukum Moore telah mengendalikan semua orang untuk bersama-sama mengembangkan prosesor. Terlepas dari alasan-alasan tersebut, pemakaian transistor akan terus meningkat hingga ditemukannya teknologi yang lebih efektif dan efisien yang akan menggeser mekanisme kerja transistor sebagaimana yang dipakai saat ini.

Meskipun Gordon Moore bukanlah penemu transistor atau IC, gagasan yang dilontarkannya mengenai kecenderungan peningkatan pemakaian jumlah transistor pada IC telah memberikan sumbangan besar bagi kemajuan teknologi informasi. Tanpa jasa Moore mungkin kita belum bisa menikmati komputer berkecepatan 3GHz seperti saat ini.

Sejarah

Pada tahun 1959, Douglas Engelbart membahas proyeksi penurunan ukuran sirkuit terpadu (IC) dalam artikel "Mikroelektronika, dan Seni Persamaan". Engelbart mempresentasikan ide-idenya pada Konferensi Sirkuit Solid-State Internasional 1960, di mana Moore hadir di antara hadirin.

Pada tahun yang sama, Mohamed Atalla dan Dawon Kahng menemukan MOSFET (transistor efek medan semikonduktor logam-oksida), juga dikenal sebagai transistor MOS, di Bell Labs. MOSFET adalah transistor pertama yang benar-benar kompak yang dapat diminiaturisasi dan diproduksi secara massal untuk berbagai penggunaan, dengan skalabilitas tinggi  dan konsumsi daya rendah yang menghasilkan kepadatan transistor yang lebih tinggi dan memungkinkan untuk membangun chip IC kepadatan tinggi. Pada awal 1960-an, Gordon E. Moore menyadari bahwa karakteristik kelistrikan dan penskalaan yang ideal dari perangkat MOSFET akan mengarah pada peningkatan tingkat integrasi yang cepat dan pertumbuhan yang tak tertandingi dalam aplikasi elektronik.

Pada tahun 1965, Gordon Moore, yang pada saat itu bekerja sebagai direktur penelitian dan pengembangan di Fairchild Semiconductor, diminta untuk berkontribusi pada edisi ulang tahun ketiga puluh lima majalah Electronics dengan prediksi tentang masa depan industri komponen semikonduktor selama tahun-tahun mendatang. sepuluh tahun mendatang. Tanggapannya adalah artikel singkat berjudul "Menjejalkan lebih banyak komponen ke sirkuit terpadu". Dalam editorialnya, ia berspekulasi bahwa pada tahun 1975 akan mungkin untuk memuat sebanyak 65.000 komponen pada semikonduktor seperempat inci persegi.

Kompleksitas untuk biaya komponen minimum telah meningkat pada tingkat kira-kira dua faktor per tahun. Tentu dalam jangka pendek tingkat ini dapat diperkirakan akan terus berlanjut, jika tidak meningkat. Dalam jangka panjang, tingkat kenaikan sedikit lebih tidak pasti, meskipun tidak ada alasan untuk percaya bahwa itu tidak akan tetap konstan selama setidaknya 10 tahun.
Moore mengemukakan hubungan log-linear antara kompleksitas perangkat (kepadatan sirkuit yang lebih tinggi dengan biaya yang lebih rendah) dan waktu. Dalam sebuah wawancara tahun 2015, Moore mencatat artikel tahun 1965: ". . . Saya baru saja melakukan ekstrapolasi liar yang mengatakan itu akan terus berlipat ganda setiap tahun selama 10 tahun ke depan."

Pada tahun 1974, Robert H. Dennard di IBM mengenali teknologi penskalaan MOSFET yang cepat dan merumuskan apa yang kemudian dikenal sebagai penskalaan Dennard, yang menjelaskan bahwa saat transistor MOS semakin kecil, kerapatan dayanya tetap konstan sehingga penggunaan daya tetap sebanding dengan luas area. Penskalaan dan miniaturisasi MOSFET telah menjadi kekuatan pendorong utama di balik hukum Moore.  Bukti dari industri semikonduktor menunjukkan bahwa hubungan terbalik antara kerapatan daya dan kerapatan area ini rusak pada pertengahan 2000-an.
Pada Pertemuan Perangkat Elektron Internasional IEEE 1975, Moore merevisi tingkat perkiraannya, memprediksi kompleksitas semikonduktor akan terus berlipat ganda setiap tahun hingga sekitar tahun 1980, setelah itu akan menurun ke tingkat dua kali lipat kira-kira setiap dua tahun. Dia menguraikan beberapa faktor yang berkontribusi untuk perilaku eksponensial ini:

• Munculnya teknologi logam-oksida-semikonduktor atau metal–oxide–semiconductor (MOS)

• Tingkat eksponensial peningkatan ukuran die, ditambah dengan penurunan kepadatan cacat, dengan hasil bahwa produsen semikonduktor dapat bekerja dengan area yang lebih luas tanpa kehilangan hasil pengurangan

• Dimensi minimum yang lebih halus

• Apa yang disebut Moore sebagai "kecerdasan sirkuit dan perangkat"

Tak lama setelah 1975, profesor Caltech Carver Mead mempopulerkan istilah "hukum Moore". Hukum Moore akhirnya diterima secara luas sebagai tujuan untuk industri semikonduktor, dan itu dikutip oleh produsen semikonduktor yang kompetitif karena mereka berusaha untuk meningkatkan kekuatan pemrosesan. Moore memandang hukum eponimnya sebagai sesuatu yang mengejutkan dan optimis: "Hukum Moore adalah pelanggaran hukum Murphy . Semuanya menjadi lebih baik dan lebih baik". Pengamatan itu bahkan dilihat sebagai ramalan yang terpenuhi dengan sendirinya.

Periode penggandaan sering salah dikutip sebagai 18 bulan karena prediksi rekan Moore, eksekutif Intel David House. Pada tahun 1975, House mencatat bahwa revisi hukum Moore tentang penggandaan jumlah transistor setiap 2 tahun pada gilirannya menyiratkan bahwa kinerja chip komputer secara kasar akan berlipat ganda setiap 18 bulan (tanpa peningkatan konsumsi daya). Hukum Moore terkait erat dengan penskalaan MOSFET, karena penskalaan cepat dan miniaturisasi MOSFET adalah kekuatan pendorong utama di balik hukum Moore. Secara matematis, Hukum Moore meramalkan bahwa jumlah transistor akan berlipat ganda setiap 2 tahun karena dimensi transistor yang menyusut dan peningkatan lainnya. Sebagai konsekuensi dari menyusutnya dimensi, penskalaan Dennard memperkirakan bahwa konsumsi daya per satuan luas akan tetap konstan. Menggabungkan efek ini, David House menyimpulkan bahwa kinerja chip komputer kira-kira akan berlipat ganda setiap 18 bulan. Juga karena penskalaan Dennard, peningkatan kinerja ini tidak akan disertai dengan peningkatan daya, yaitu, efisiensi energi chip komputer berbasis silikon kira-kira dua kali lipat setiap 18 bulan. Penskalaan Dennard berakhir pada tahun 2000-an. Koomey kemudian menunjukkan bahwa tingkat peningkatan efisiensi yang sama mendahului chip silikon dan Hukum Moore, untuk teknologi seperti tabung vakum.

Arsitek mikroprosesor melaporkan bahwa sejak sekitar 2010, kemajuan semikonduktor telah melambat di seluruh industri di bawah kecepatan yang diprediksi oleh hukum Moore. Brian Krzanich, mantan CEO Intel, mengutip revisi Moore tahun 1975 sebagai preseden untuk perlambatan saat ini, yang dihasilkan dari tantangan teknis dan merupakan "bagian alami dari sejarah hukum Moore". Tingkat peningkatan dimensi fisik yang dikenal sebagai penskalaan Dennard juga berakhir pada pertengahan 2000-an. Akibatnya, banyak industri semikonduktor telah mengalihkan fokusnya ke kebutuhan aplikasi komputasi utama daripada penskalaan semikonduktor. Namun demikian, produsen semikonduktor terkemuka TSMC dan Samsung Electronics telah mengklaim untuk mengikuti hukum Moore dengan node 10 nm dan 7 nm dalam produksi massal dan node 5 nm dalam produksi risiko Hingga 2019.

Hukum kedua Moore

Ketika biaya daya komputer bagi konsumen turun, biaya bagi produsen untuk memenuhi hukum Moore mengikuti tren yang berlawanan: biaya R&D, manufaktur, dan pengujian terus meningkat dengan setiap generasi baru chip. Naiknya biaya produksi merupakan pertimbangan penting untuk mempertahankan hukum Moore. Hal ini telah menyebabkan perumusan hukum kedua Moore, juga disebut hukum Rock, yaitu bahwa biaya modal fab semikonduktor juga meningkat secara eksponensial dari waktu ke waktu.

Faktor pendukung utama

Tren terkini

Salah satu tantangan utama rekayasa transistor skala nano masa depan adalah desain gerbang. Sebagai dimensi perangkat menyusut, mengendalikan aliran arus di saluran tipis menjadi lebih sulit. Transistor skala nano modern biasanya berbentuk MOSFET multi-gerbang, dengan FinFET menjadi transistor skala nano yang paling umum. FinFET memiliki dielektrik gerbang di tiga sisi saluran. Sebagai perbandingan, struktur gate-all-around MOSFET (GAAFET) memiliki kontrol gerbang yang lebih baik.

Penelitian bahan alternatif

Sebagian besar transistor saat ini pada IC terutama terdiri dari silikon yang diolah dan paduannya. Karena silikon dibuat menjadi transistor nanometer tunggal, efek saluran pendek secara negatif mengubah sifat material silikon yang diinginkan sebagai transistor fungsional. Di bawah ini adalah beberapa pengganti non-silikon dalam pembuatan transistor nanometer kecil.

Salah satu bahan yang diusulkan adalah indium gallium arsenide, atau InGaAs. Dibandingkan dengan silikon dan germanium, transistor InGaAs lebih menjanjikan untuk aplikasi logika daya rendah berkecepatan tinggi di masa depan. Karena karakteristik intrinsik dari semikonduktor senyawa III-V , transistor efek terowongan dan sumur kuantum berdasarkan InGaAs telah diusulkan sebagai alternatif untuk desain MOSFET yang lebih tradisional.

Revolusi digital

Elektronik digital telah berkontribusi pada pertumbuhan ekonomi dunia pada akhir abad kedua puluh dan awal abad kedua puluh satu. Kekuatan pendorong utama pertumbuhan ekonomi adalah pertumbuhan produktivitas, dan faktor hukum Moore menjadi produktivitas. Moore (1995) mengharapkan bahwa "tingkat kemajuan teknologi akan dikendalikan dari realitas keuangan". Namun, kebalikannya bisa dan memang terjadi sekitar akhir 1990-an, dengan para ekonom melaporkan bahwa "Pertumbuhan produktivitas adalah indikator ekonomi kunci dari inovasi." Hukum Moore menggambarkan kekuatan pendorong perubahan teknologi dan sosial, produktivitas, dan pertumbuhan ekonomi.

Percepatan dalam tingkat kemajuan semikonduktor berkontribusi pada lonjakan pertumbuhan produktivitas AS,[47][48][49] yang mencapai 3,4% per tahun pada 1997–2004, melampaui 1,6% per tahun selama 1972–1996 dan 2005 –2013.[50] Seperti yang dicatat oleh ekonom Richard G. Anderson, "Banyak penelitian telah melacak penyebab percepatan produktivitas hingga inovasi teknologi dalam produksi semikonduktor yang secara tajam mengurangi harga komponen tersebut dan produk yang mengandungnya (serta memperluas kemampuan produk semacam itu)."

Implikasi negatif utama dari hukum Moore adalah bahwa keusangan mendorong masyarakat melawan Batas Pertumbuhan . Ketika teknologi terus "meningkatkan" dengan cepat, mereka membuat teknologi pendahulunya menjadi usang. Dalam situasi di mana keamanan dan ketahanan perangkat keras atau data adalah yang terpenting, atau di mana sumber daya terbatas, keusangan yang cepat sering kali menjadi hambatan untuk kelancaran atau kelanjutan operasi. Karena jejak sumber daya yang intensif dan bahan beracun yang digunakan dalam produksi komputer, keusangan menyebabkan dampak lingkungan yang berbahaya dan serius . Orang Amerika membuang 400.000 ponsel setiap hari, tetapi tingkat keusangan yang tinggi ini tampaknya bagi perusahaan sebagai peluang untuk menghasilkan penjualan reguler dari peralatan baru yang mahal, alih-alih mempertahankan satu perangkat untuk jangka waktu yang lebih lama, yang mengarah ke penggunaan yang direncanakan oleh industri. usang sebagai pusat laba.

Tren panjang gerbang transistor Intel – penskalaan transistor telah melambat secara signifikan pada node lanjutan (lebih kecil)

Sumber alternatif peningkatan kinerja dalam teknik mikroarsitektur memanfaatkan pertumbuhan jumlah transistor yang tersedia. Eksekusi out-of-order dan caching dan prefetching on-chip mengurangi hambatan latensi memori dengan mengorbankan penggunaan lebih banyak transistor dan meningkatkan kompleksitas prosesor. Peningkatan ini dijelaskan secara empiris oleh Aturan Pollack, yang menyatakan bahwa peningkatan kinerja karena teknik arsitektur mikro mendekati akar kuadrat dari kompleksitas (jumlah transistor atau area) prosesor.