パーソナル コンピュータに関するジョークは、デバイスが市場に出回った頃からずっと存在しています。新しいコンピュータを購入して家に持ち帰り、開梱し終えた瞬間に新しいコンピュータの広告が表示され、そのせいで自分のコンピュータが時代遅れになってしまうというものです。 。あなたが最速で最も強力なマシンを求めるタイプの人であれば、イライラしてコンピュータ ストアに何度も足を運ぶ運命にあるようです。
このジョークは明らかに誇張ですが、それほど的外れではありません。今日の控えめなパーソナル コンピューターの 1 台でも、有名な Cray-1スーパーコンピューターよりも多くの処理能力とストレージ容量を備えています。 1976 年当時、Cray-1 は最先端技術でした。1秒あたり 1 億 6,000 万回の浮動小数点演算(フロップ) を処理でき、8 メガバイト (MB) のメモリを搭載していました。
現在、多くのパーソナル コンピューターは 1 秒間に 10 倍以上の浮動小数点演算を実行でき、100 倍のメモリを搭載しています。一方、スーパーコンピューターの分野では、オークリッジ国立研究所の Cray XT5 Jaguar が 2008 年に 1.4 ペタフロップスの持続的なパフォーマンスを達成しました 。接頭語のペタは 10 の 15 乗、つまり 1京を意味します。つまり、Cray XT5 は Cray-1 の 875 万倍のフロップを処理できます。そのマイルストーンに到達するまでに、わずか 30 年強しかかかりませんでした。
処理能力の観点からコンピューターの進化をグラフにすると、飛躍的に進歩していることがわかります。この有名な観察を最初に行った人物は、マイクロプロセッサ会社インテルの共同創設者であるゴードン・ムーアです。コンピュータ科学者、電気技術者、製造業者、ジャーナリストは、彼の最初の観察からムーアの法則を推定しました。一般に、ほとんどの人はムーアの法則を、直径 1 インチ (2.5 センチメートル) のシリコン上のトランジスタの数が x か月ごとに 2 倍になることを意味すると解釈しています。
マイクロプロセッサ市場の状況が変化すると、月数も変化します。 18 か月かかるという人もいれば、24 か月かかるという人もいます。この法律はトランジスタの数ではなく、処理能力の 2 倍に関するものだと解釈する人もいます。そして、法則は、実際の法則、原則、観察というよりも、自己成就する預言のように見えることがあります。その理由を理解するには、最初に戻るのが最善です。
半導体、トランジスタ、集積回路
半導体の発見、トランジスタの発明、集積回路の作成により、ムーアの法則、ひいては現代のエレクトロニクスが可能になりました。トランジスタが発明される前、エレクトロニクスで最も広く使用されていた要素は真空管でした。電気技術者は真空管を使用して電気信号を増幅しました。しかし、真空管は故障する傾向があり、また多量の熱を発生します。
ベル研究所は、1930 年代に成長を続ける全国電話ネットワークを安定化および強化するために、真空管に代わるものを探し始めました。 1945 年、研究所は半導体を活用する方法を見つけることに集中しました。半導体は、導体としても絶縁体としても機能する材料です。導体は電子の流れを可能にする材料であり、電気を伝導します。絶縁体は、電子の流れを阻害する原子構造を持っています。半導体は両方を実現できます。
電子の流れを制御することでエレクトロニクスが機能します。半導体の独特の性質を利用する方法を見つけることは、ベル研究所にとって最優先事項になりました。 1947 年、ジョン バーディーンとウォルター ブラッテンは最初に動作するトランジスタを構築しました。トランジスタは、電子の流れを制御するように設計されたデバイスです。ゲートが閉じていると、電子がトランジスタを通って流れるのを防ぎます。この基本的な考え方は、実際にすべての電子機器が動作する方法の基礎となります。
初期のトランジスタは、今日のメーカーが製造するトランジスタと比較すると巨大でした。一番最初のものは高さが 0.5 インチ (1.3 センチ) でした。しかし、エンジニアが実際に動作するトランジスタの作り方を学ぶと、より優れた、より小型のトランジスタを構築する競争が始まりました。最初の数年間、トランジスタはエンジニアが設計を改良したため、科学研究所にのみ存在していました。
1958 年、ジャック キルビーは、集積回路というエレクトロニクスの世界に次の大きな貢献をしました。以前の電気回路は、一連の個別のコンポーネントで構成されていました。電気技師は各部品を構築し、それを基板と呼ばれる基礎に取り付けます。キルビーは、単一の半導体材料から回路を構築し、その上に回路のさまざまな部分を接続するために必要な金属部品を重ねることを実験しました。その結果、集積回路が誕生しました。
次の大きな開発はプレーナー トランジスタでした。プレーナ トランジスタを作成するには、コンポーネントを半導体基板上に直接エッチングします。これにより、基板の一部の部分が他の部分よりも高くなります。次に、蒸着した金属膜を基板に貼り付けます。フィルムは半導体材料の隆起部分に付着し、半導体材料を金属でコーティングします。金属は、さまざまなコンポーネント間の接続を作成し、電子が 1 つのコンポーネントから別のコンポーネントに流れることを可能にします。これは、半導体ウェハー上に回路を直接印刷するようなものです。
ムーアの観察
物理学者のジャン・ヘルニは、1959 年にプレーナー トランジスタを作成する技術を開発しました。1961 年までに、フェアチャイルド セミコンダクターという会社が最初のプレーナー集積回路を製造しました。その瞬間から、テクノロジーは急速に進歩しました。物理学者とエンジニアは、集積回路を作成するためのより効率的な新しい方法を発見しました。彼らはコンポーネントをより小さく、よりコンパクトにするために使用するプロセスを改良しました。これは、前世代の技術よりも多くのトランジスタを 1 枚の半導体ウェーハ上に搭載できることを意味しました。
この間、フェアチャイルド社の研究開発責任者はゴードン・ムーアでした。エレクトロニクス誌はムーア氏に、エレクトロニクス分野の今後 10 年間の発展で何が起こるかを予測するよう依頼した。ムーア氏は、「集積回路にさらに多くのコンポーネントを詰め込む」という気の利いたタイトルの記事を書きました。同誌は1965年4月19日にその記事を掲載した。
ムーア氏は、集積回路の導入以来の産業の急速な発展に基づいて予測を立てました。彼は、技術が向上し、回路上のコンポーネントが縮小するにつれて、個々のコンポーネントの製造価格が低下すると考えました。半導体企業には、生産技術を改良するインセンティブがあり、新しい回路がより強力になっただけでなく、個々の要素のコスト効率も向上しました。その関係が真実である限り、この傾向は続くだろうとムーア氏は語った。
しかしムーア氏は、回路がより複雑になるにつれて、回路全体の製造コストが上昇するという警告も加えた。したがって、個々のコンポーネントの製造コストは安くなりますが、実際に複雑な回路の開発コストは高くなります。技術が向上するにつれて、複雑な回路を作成するコストは減少します。コンポーネントあたりのコストと回路あたりのコストは、業界にバランス効果をもたらし、対数線形の進化傾向をもたらしました。
ムーア氏はまた、12カ月間で直径1インチ（2.5センチメートル）の半導体ウェーハ上の部品の数が2倍になったことも指摘した。ムーア氏は、これは 2 つの大きなトレンドによるものだと考えています。1 つは、企業がより小型のコンポーネントを製造する方法を見つけていること、もう 1 つはウェハ上のスペースを節約するためにコンポーネントを配置することが上手になっているということです。
ムーア氏は、このデータを見て今後 10 年間の予測を外挿しました。この記事を執筆した時点で、ムーア氏は回路上の最適な部品数は 50 個であると述べました。彼は、1975 年までにその数は 65,000 個に近づくだろうと予測しました。この予測は当てはまり、1975 年までに集積回路には 65,000 近くのコンポーネントが含まれていました。
ムーアの法則の解釈
1975 年、ムーアは電気電子学会 (IEEE) の国際電子デバイス会議に向けて論文を書きました。彼はこの論文に「デジタル統合エレクトロニクスの進歩」というタイトルを付けました。ムーア氏は、回路技術の進歩速度に関する自身の予測が当たったことを認め、この傾向が続く可能性について議論した。
ムーア氏は、技術が向上するにつれて欠陥が発生する可能性は減少したと指摘しました。これは、回路メーカーがより大きなウェーハを扱うことができ、ウェーハあたりにより多くのチップを生産できることを意味します。生産は引き続き効率化され、さらに小型のコンポーネントを作成するためのイノベーションが促進されました。
ムーア氏は、10年前に予測した傾向は少なくともあと数年間は同じペースで進むだろうと述べた。しかしムーア氏はまた、半導体業界は回路上のスペースの節約など、一部の技術では限界に近づいていると考えているとも述べた。彼はこの要素を「回路の賢さ」と呼びました。彼は、コンポーネントをいかに賢く配置できるかには限界が来て、最終的にはスペースを最適に利用できるようになるだろうと信じていました。その要素が方程式から取り除かれると、進歩の速度は遅くなるはずです。同氏は、数年後にはコンポーネントが 24 か月ごとにのみ 2 倍になると信じていると述べた。
ムーア氏の当初の観察は技術の進歩と回路製造の背後にある経済性に焦点を当てていましたが、多くの人は彼の観察を私たちがムーアの法則と呼ぶ単純な主張に還元します。ムーアの法則の最も一般的なバージョンは、回路上のトランジスタの数が 18 (または 24) か月ごとに 2 倍になるというものです。驚くべきことに、この予測は的中しました。現在、Intel の Core i7 マイクロプロセッサには 7 億 3,100 万個のトランジスタが搭載されているのに対し、Xeon プロセッサには 19 億個のトランジスタが搭載されています 。
集積回路上により多くのコンポーネントを詰め込むことは、デバイスがより強力になることを意味するだけではなく、デバイスが小型化することも意味します。コンパクトな集積回路上の小さなコンポーネントは、あらゆる種類のポータブル電子機器に電力を供給します。今日の小さなマイクロプロセッサチップでも、数年前のフルサイズのチップと同じくらい強力です。回路製造の進歩により、スマートフォンやネットブックなどのデバイスが可能になります。
ムーアの法則の 1 つの大雑把な解釈では、基板上に配置されるコンポーネントの数の重要性が無視されます。この法律では、CPU チップの処理能力が 18 か月ごとに 2 倍になると規定されています。それがムーアの法則の素晴らしい点です。誰に尋ねるかによって意味が変わります。
ムーアの法則の実際の動作
なぜムーアの観察と予測は何十年にもわたって真実であったのでしょうか?ムーアの法則は実際には法則ではありません。実際、その背後には基本的な物理法則はありません。ムーアの法則は人間の行動によってのみ成立します。しかし、より強力な回路を作るという課題が増大しているにもかかわらず、何がサイクルを続けさせているのでしょうか?
理由の多くは心理的なものであり、市場によって引き起こされます。集積回路を製造する企業は互いに競争しており、ムーアの法則については誰もが知っています。つまり、すべての企業幹部がこのことを念頭に置いているということです。もし当社が 18 か月以内に回線の電力を 2 倍にしなければ、他社に負けてしまうだろうということです。
企業は競合他社に優位性を与えたくないため、研究開発（R&D）に多額の資金を注ぎます。これらの研究開発部門は、より小さなコンポーネントを作成し、そのパフォーマンスを最大化するように配置するための新しい技術の開発に取り組んでいます。研究サイクルを維持するには多額の費用がかかりますが、この費用は、競合他社が足場を築き、市場を支配するという脅威とバランスが取れています。
もう一つの要因は、困難を克服したいという単純な願望です。長年にわたって多くの人がムーアの法則の終焉を予測してきました。 1980年代に終わりを迎えると考えていた人もいた。 90年代半ばにも他の人が同じことを言っていました。エンジニアは最終的には根本的に突破不可能な壁にぶつかるようでした。しかし、エンジニアたちは毎回なんとか解決策を見つけ、ムーアの法則を生かし続けています。
消費者もムーアの法則を推進します。エレクトロニクスの急速な発展により、消費者には期待感が生まれています。毎年、より高速で高度なエレクトロニクスが市場に登場します。消費者の観点からすると、来年はさらに良いものを期待しない理由はありません。
ムーアの法則とナノスケール
今日、集積回路上のトランジスタは非常に小さいサイズに達しており、人間の髪の毛の太さと同じになるには、トランジスタを 2,000 個以上並べて積み上げる必要があるほどです。 Intel の最新チップ上のトランジスタの幅はわずか 45 ナノメートルです。平均的な人間の髪の毛の太さは約 100,000 ナノメートルです 。
このような幅の狭いトランジスタを作成することは驚くべき成果です。可視光の波長は 400 ～ 700 ナノメートルの範囲です。従来の光学顕微鏡レンズは、可視光の波長の半分以上のサイズの物体にしか焦点を合わせることができません。非常に小さなスケールで何かの画像を作成するには、走査型電子顕微鏡などの特別な装置に頼る必要があります。
このような小さなデバイスを扱うときに考慮しなければならないことの 1 つは、ナノスケールに近づくと古典物理学の世界を離れ、量子力学の領域に入るということです。量子の世界における物理の法則は、マクロスケールでの物事の仕組みとは大きく異なります。たとえば、電子のような量子粒子は、障壁を突破するのに必要な運動エネルギーを持たない場合でも、非常に薄い壁を通過できます。量子物理学者はこの現象を量子トンネルと呼んでいます。
エレクトロニクスは電子の流れの制御に依存して機能するため、量子トンネルなどの問題は深刻な問題を引き起こします。これらの問題により、電気技術者は回路設計方法の再評価を余儀なくされます。場合によっては、別の素材に変更することで問題が解決することがあります。回路を構築する全く新しい方法を見つけることがうまくいく場合もあります。
誰かがトランジスタや集積回路を時代遅れにする革新的なアイデアを思いつく可能性さえあります。突飛な話に聞こえるかもしれないが、多くの技術専門家や技術者がムーアの法則の終焉を宣言しているにもかかわらず、回路メーカーは依然としてムーアの法則を存続させる方法を模索しているという事実は変わらない。結局のところ、この課題は一部の人が信じているほど不可能ではない可能性があります。
ムーアの法則の未来
ゴードン・ムーアでさえ、イノベーションと生産のサイクルが過去 40 年間の熱狂的なペースをどれだけ維持できるかについて疑問を抱いています。同氏はまた、インテルのような企業が、当初は克服不可能だと思われた問題を回避する新たな方法を見つけ出す方法にも驚きを表明した。ムーアの法則に終わりは来るのでしょうか?
答えは「はい」ですが、それがいつ起こるかを特定するのは困難です。 1 つには、エンジニアがより小型のコンポーネントを作成する方法を見つけることを妨げる技術的な障壁にぶつかる可能性があります。しかし、たとえ技術的な障壁に遭遇しなかったとしても、経済性が問題になる可能性があります。より小型のトランジスタを使用して回路を製造することが経済的に実現可能でない場合、さらなる開発を追求する理由はないかもしれません。あるいは、光の速度などの基本的な物理法則に反する可能性もあります。
これらの障壁の 1 つまたは複数が進歩を妨げる特定の日付を予測する際の問題は、現在わかっていることに基づいて予測する必要があることです。しかし、エンジニアは毎日、回路を設計、構築、生産する新しい方法を学んでいます。明日は私たちが知っていることによって、今日は不可能に思えることが完全に実現可能になるかもしれません。
ムーアの法則は今日でも意味があるのでしょうか?パーソナル コンピューターの時代は、消費者は市場にある最新かつ最高のマシンを必要としているという感覚に支配されてきました。しかし今日、その哲学に疑問を抱く人もいます。その一部は、消費者の行動の変化によるものです。多くのコンピュータ所有者は、Web の閲覧や電子メールの送信などの単純なタスクにコンピュータを使用しています。これらのアプリケーションは、コンピューターのハードウェアに大きな負荷をかけません。
強力な PC がそれほど必要でないもう 1 つの理由は、クラウド コンピューティングの人気の高まりです。クラウド コンピューティングは、データの処理と保存の負担をコンピューターのネットワークに移します。ユーザーはインターネットを使用してアプリケーションや情報にアクセスできるため、クラウド コンピューティングを利用するために必ずしも独自の強力なマシンを必要とするわけではありません。
その結果、スマートフォンやネットブックなどのデバイスの人気が高まっています。これらのデバイスには、最新のデスクトップ コンピューターやラップトップ コンピューターのようなそのままの処理能力はありません。ただし、ユーザーは依然として必要なアプリケーションやデータにアクセスできます。
ムーアの法則から学んだ教訓
消費者がスマートフォンやネットブックなどのデバイスを購入し続けると、マイクロプロセッサメーカーはムーアの法則の期待に応える動機が薄れます。超強力なプロセッサの市場が存在しない場合、このサイクルに終止符を打つ可能性がある経済的障壁にぶつかることになります。
とはいえ、一部の施設では依然として集積回路生産の限界を押し上げている可能性があります。平均的な消費者は強力な PC の価値を理解していないかもしれませんが、研究施設は依然として実稼働環境で最速のプロセッサーに依存しています。より強力なマイクロプロセッサは、天気予報から宇宙論の研究まであらゆる分野で役立ちます。
ムーアの法則と半導体業界から得られる教訓の 1 つは、純粋な研究が社会に有益な結果をもたらす可能性があるということです。ベル研究所のエンジニアには、初期のトランジスタ モデルを使った実験作業が肯定的な結果をもたらすという保証はありませんでした。しかし、彼らの研究と努力は、私たちの生活様式を変える産業を生み出しました。これは、たとえ明白な、または即時の利益がない場合でも、科学研究が私たちの生活に劇的な影響を与える可能性があることを示す一例です。
おそらく、ムーアの法則から得られる最も重要な教訓は、何かを不可能だと性急に言ってはいけないということです。 1843 年に米国特許庁長官だったヘンリー L. エルズワースは、かつてこう述べました。「年々の芸術の進歩は、私たちの軽率さに負担をかけており、人類の進歩が終わらなければならない時代の到来を予感させるようだ」 [出典:サス』。エルズワース氏は、人間の創意工夫と革新の速度は信じられないほど驚異的であると指摘していました。一部の人がほのめかしているように、彼は、発明できるものはすべてすでに発明されていると示唆しているわけではありません。そして実際、それ以来、イノベーションの速度は増加するばかりです。
私たちはエレクトロニクスの構築について多くのことを知っていますが、まだ知らないこともたくさんあるかもしれません。ムーアの法則は、発明力のあるエンジニアのモチベーションを高める手段として役立ちます。彼らは、一見不可能に見える問題に対する独自の解決策を見つけなければならないとしても、ゴードン・ムーアを失望させたくありません。
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