De wet van Moore

Gordon Moore constateerde dat elke 18 maanden op hetzelfde chip-oppervlak twee maal zoveel transistoren kunnen worden geïntegreerd. Deze stelling -de Wet van Moore- is een self-fullfilling prophecy gebleken. De gevolgen van deze wetrmatigheid ondervinden we elke dag. De geheugenchips zijn zo klein geworden dat we met gemak audio- en videobestanden op een heel klein oppervlak kunnen opslaan. Ook de rekenvaardigheid van processoren blijft dankzij dit fenomeen stijgen.

De Wet van Moore

In de 1e helft van de 20e eeuw werden in elektronsiche circuits grote, veel stroom-verbruikende, onbetrouwbare vacuum buizen gebruikt. Bell Laboratories onwikkelde in 1947 de eerste punt-contact transistor. De transistor, die zich gedraagt als een elektronisch gecontroleerde schakelaar, werd het alternatief voor de vacuum buis. Dit werd pas realiteit nadat het Bell Labs gelukt was om een transistor te fabriceren uit een plakje germanium (halfgeleidend materiaal). Halfgeleidend materiaal (semiconductor) geleidt elektrische stroom alleen onder bepaalde voorwaarden. Wanneer meerdere transistoren op een en hetzelfde stuk silicium (halfgeleider) gebouwd konden worden, zou dit een enorme doorbraak betekenen in de elektronica.

Eind jaren vijfitg werd de eerste flip-flop met 2 transistoren gebouwd (Kilbey) voor het bedrijf Texas Instruments. In tegenstelling tot andere werkgebieden, gaat bij transistoren een afname van grootte samen met een toename van performance, zuinigheid, en kostenreductie. Het geïntegreerde circuit (ic) of chip werd geboren. Complete elektronsiche systemen werden samengevoegd in een enkele chip ter grootte van enkele millimeters. In de jaren daaropvolgend trad er een verdergaande miniaturisatie op als gevolg van verbeteringen in het productieproces. Tegenwoordig bevattten chips miljoenen en zelfs miljarden transistoren (zie ook Chips).

De Intel 4004 microprocessor uit 1970 bevatte bijvoorbeeld 2,300 transistoren, terwijl de Intel Core i7 uit 2008 731,000,000 transistoren bevatte. Deze cijfers corresponderen met een jaarlijks groei-percentage van 53% (over een totaal van 45 jaar).
In 1965 deed Gordon Moore de volgende observatie: Het aantal transistoren geïntegreerd in een enkele chip verdubbelt zich elke 18 maanden. Dit betekent een rechte lijn op een semi-logaritmische schaal: Verticaal het aantal transistoren (logaritmisch), horizontaal het jaartal (lineair).

Deze stelling is min of meer werkelijkheid geworden voor de afgelopen 40 jaar, en is bekend geworden als de wet van Moore. Voor het gemak stelt men ook wel dat voor de verdubbeling van het aantal transistoren een periode van twee jaar staat.

Gevolgen van de Wet van Moore

Hoe komt deze verdubbeling nu eigenlijk tot stand, en wat betekent dit voor de elektrische eigenschappen van chips? Een transistor besaat uit een stukje halfgeleidend materiaal (silicium) dat een verbinding vormt (het zgn. kanaal) tussen twee aansluitpunten. Dwars over het kanaal zit ander een stripje halfgeleidend materiaal (polysilicium), de zgn. gate. Door een spanning op de gate aan te brengen kan het kanaal in geleiding worden gebracht.

Het is mogelijk gebleken, door verbeteringen in het productieproces, om de zoveel tijd zowel de lengte (inclusief de gate) als de breedte van een transistor met factor √2 te verkleinen. In totaal houdt het dus een opervlakte verkleining van (√2)²=2 in.
Dit betekent in de eerste plaats dat er twee keer zoveel transistoren op hetzelfde stukje opervlak passen. Op deze manier kan een chip steeds meer circuits bevatten, en dus meer rekencapaciteit, geheugencapaciteit, intelligentie etc..

De snelheid van een transistor wordt bepaalt door zijn capaciteit. Des te kleiner de capaciteit, des te sneller de transistor. Bij bovengenoemde schaalfactor zal de capaciteit per transistor afnemen met factor 2, hetgeen voor de kloksnelheid een ongeveer een toename met factor 2 betekent (de capaciteit van de bedrading speelt ook een (steeds grotere) rol). De dynamische vermogensdissipatie (ten gevolge van schakelen met de kloksnelheid) zal met factor 2 afnemen, maar omdat het totaal aantal transistoren verdubbelt, blijft de dynamische vermogensdisipatie gelijk.

Het is dudelijk dat de miniaturisatie in de halfgeleidertechnologie niet eeuwig kan voortduren. Transistoren kunnen nu eenmaal niet kleiner zijn dan atomen. Toch zijn vele voorspellingen omtrent de limiet van de transistorgrootte onjuist gebleken. Begin jaren negentig voorspelden experts dat de scaling nog 10 jaar zou voortduren, en dat daarna de toekomst onzeker zou zijn. In 2000 geloofde men weer in 10 extra jaar. Creatieve engineers en materiaalwetenschappers hebben miljarden US dollars te winnen om voor te blijven op de concurrentie.

Lees verder

• Chips en transistoren
• Binair en hexadecimaal rekenen
• Hoe zit een geheugenchip in elkaar?