نگاهی به گذشته و آینده‌ «قانون مور» به مناسبت پنجاه سالگی این قانون

زوميت/ گوردون مور، يکي از بنيانگذاران کمپاني اينتل است که شهرت خود را بيشتر به دليل نظريه‌اي که در سال ۱۹۶۵ ارائه داد، به دست آورده است. براساس قانون مور، تعداد ترانزيستورهاي مورد استفاده در پردازنده‌ها هر دو سال يکبار دو برابر خواهد شد. حال در آستانه‌ي پنجاه سالگي قانون مور، به بررسي گذشته و چالش‌هاي پيش روي اين قانون مهم دنياي پردازنده‌ها خواهيم پرداخت. زماني که گوردون مور در سال ۱۹۶۵ ميلادي و در زمان فعاليت در کمپاني Fairchild Seminconductor براي ارائه‌ي يک تئوري در خصوص آينده‌ي مدارهاي مجتمع مورد سوال واقع شد، در آزمايشگاه خود در حال کار روي مدار مجتمعي بود که از ۶۴ ترازيستور تشکيل شده بود. تعداد ترانزيستورهاي نمونه‌اي که مور در حال کار روي آن بود در مقايسه با سال پيش از آن دو برابر شده بود. مور با نگاهي به سال‌هاي نه‌چندان دور به اين نتيجه رسيد که تعداد ترانزيستورهاي مورد استفاده از سال ۱۹۵۹ که اولين ترانزيستور ساخته شد، هر سال دو برابر مي‌شود. وي با انتشار مقاله‌اي در مجله‌ي Electronics در بهار سال ۱۹۶۵ پيش‌بيني کرد که اين قانون حداقل براي ده سال آينده با همين روند ادامه خواهد داشت. قانون مور نه‌تنها براي يک دهه‌ي پس از آن، بلکه تا به امروز نيز در دنياي فناوري پابرجا مانده و امروزه از آن با عنوان قانون مور ياد مي‌شود. تنها چهار روز ديگر و در ۱۹ آوريل، اين قانون شاهد تولد پنجاه سالگي خود خواهد بود. حال که پنجاه سال از زمان پيدايش اين قانون گذشته، مجال خوبي است تا به سرنوشت آن و تغييرات اعمال شده در دنياي پردازنده‌ها در طول پنج دهه‌ي گذشته بپردازيم. نگاهي به گذشته اين امکان را در اختيارمان قرار مي‌دهد تا به پيش‌بيني آينده‌ي صنعت پردازنده‌ها با توجه به سرعت بالاي نوآوري‌ها در اين صنعت بپردازيم. ۱۹۶۵: ارائه‌ي نظريه‌ي قانون مور قانون مور با در نظر گرفتن دو فاکتور اصلي از مشاهدات گوردون مور در جريان نگارش مقاله‌ي وي ارائه شده است. فاکتور اول اشاره به تعداد بهينه‌ي کامپوننت‌هايي دارد که مي‌توان در ساخت يک تراشه از آن‌ها استفاده کرد. استفاده از کامپوننت‌هاي بيشتر به معناي کاهش هزينه به ازاي هر کامپوننت است. البته در اين بين استثنائي نيز وجود دارد که براساس آن پس از يک مقدار مشخص، با افزايش تعداد کامپوننت‌هاي مورد استفاده عملکرد کاهش مي‌يابد که از اين‌رو اين نقطه را بايد به‌عنوان محلي که مي‌توان بهينه‌ترين تعداد کامپوننت‌هاي ممکن را در تراشه قرار داد، در نظر گرفت. گوردون مور اين رابطه را در نمودار زير به روشني به نمايش گذاشته است. آيا قانون مور در 20 سال آينده نقض خواهد شد؟ سرمايه‌گذاري ۳ ميليارد دلاري IBM براي تحول در دنياي تراشه‌ها و توليد پردازنده‌هاي ۷ نانومتري فاکتور دومي که وي در مشاهدات خود به آن توجه کرد، افزايش تعداد کامپوننت‌هايي بود که در سال‌هاي مختلف در نقطه‌ي برگشت از عملکرد، ثبت مي‌شد. وي به روشني ديد که تعداد ترانزيستورهاي مورد استفاده در هر تراشه پس از توليد اولين ترانزيستور در سال ۱۹۵۹ در فاصله‌ي هر يک سال تا دو برابر افزايش مي‌يابد. وي اين موضوع را در يک منحني نمايي که تصوير آن را در ذيل مشاهده مي‌کنيد، ترسيم کرد. مور پيش‌بيني کرد که روند دو برابر شدن تعداد ترانزيستورهاي مورد استفاده در تراشه‌ها تا ده سال به همين ترتيب ادامه خواهد داشت. با توجه به روند دو برابر شدن ترازيستورهاي مورد استفاده در تراشه‌ها، گوردون مور پس از مطرح شدن مساله‌ي کوچک‌کردن کامپوننت‌هاي مورد استفاده در تراشه‌ها توسط داگلاس انگلبارت (Douglas Engelbart) اولين بار تمامي اين مسائل را روي کاغذ آورد تا بتواند پيش‌بيني درستي از اين روند داشته باشد. مور هيچگاه تصور نمي‌کرد نظريه‌ يا به بيان بهتر پيش‌بيني‌ او به يک قانون و اصل تبديل شود. وي در مقاله‌ي خود علاوه بر پيش‌بيني دو برابر شدن تعداد ترانزيستورهاي مورد استفاده در تراشه‌ها، به مشکلات فني احتمالي ايجاد شده در ده سال آينده نيز اشاره کرد. ۱۹۷۵: کارور ميد (Carver Mead) قانون مور را جاودانه کرد کارور ميد در سال ۱۹۷۵ درصدد بهينه سازي قانون مور برآمد، در حالي که خود مور در همان سال‌ها قانون خود را مورد بازنگري قرار داده بود. اگرچه مور تصور نمي‌کرد که پيش‌بيني‌هايش در مورد صنعت توليد پردازنده‌ها تا سال ۱۹۷۵ دقيق باشد، اما همگان با گذشت سال‌ها به صحت نظريه‌ي وي در خصوص دو برابر شدن تعداد ترانزيستور‌ها در دهه‌ي پيش رو ايمان آوردند. مور در سال ۱۹۷۵ به اين نتيجه رسيد که رفته رفته موضوع تراکم در ميزان افزايش ترانزيستور‌هاي تراشه‌ها تاثيرگذار خواهد بود و از اين‌رو اعلام کرد که تعداد ترازيستورها در پردازنده‌ها از سال ۱۹۸۰ به بعد هر دو سال يکبار دو برابر خواهد شد. ديو هاوس (Dave House) از اينتل، قانون مور را به شکل امروزي آن تعريف کرد تراکم کامپوننت‌هاي مورد استفاده با نزديک شدن به سال ۱۹۷۵ به مساله‌ي مهمي تبديل شد، از سويي ديگر ديو هاوس از اينتل به اين نتيجه رسيد که سرعت پردازشي کامپوننت‌هاي مورد استفاده نيز با گذشت زمان بيشتر شده است. وي قانون مور را در اين سال دوباره بهينه کرد و به شکل امروزي آن درآورد. هاوس به اين نکته اشاره کرد که از اين پس تعداد کامپوننت‌هاي مورد استفاده در تراشه‌ها به جاي يک بازه‌ي يک ساله، در هر ۱۸ ماه دو برابر خواهد شد. بازه‌ي زماني مورد نظر وي از آنچه که مور در سال ۱۹۶۵ اعلام کرده بود بيشتر و از ميزان اعلام شده توسط مور در بازنگري سال ۱۹۷۵ نيز کمتر بود. از آن پس اين مدل از قانون مور به عنوان نظريه‌ي استاندارد در علوم به کار گرفته شده است. در صورتي که در صنعت توليد پردازنده‌ها به کار مشغول باشيد، قانون مور از اهميت فوق‌العاده‌اي براي شما برخوردار است. قانون مور تضمين کننده‌ي سرعت پيشرفت پردازنده‌هاي توليد شده در دنياي فناوري است. از چرتکه تا سوپرکامپيوترها با وجود اينکه تمرکز در صنعت مدارات مجتمع و توليد ترانزيستورها با اختراع سيليکون بسيار افزايش يافته، ولي تاريخ دنياي کامپيوتر به پيش از آنکه سيليکون در اين صنعت مورد استفاده قرار گيرد، باز مي‌گردد. با نگاهي به تاريخ دنياي کامپيوتر و محاسبات مي‌توان ريشه‌هاي اين علم را در چرتکه‌هايي يافت که در زمان‌هاي قديم مورد استفاده قرار مي‌گرفت. پس از چرتکه‌ها مي‌توان خط‌کش‌هاي مهندسي، ماشين حساب‌هاي فني و سپس به مين‌فريم‌هايي اشاره کرد که از لامپ‌هاي خلا استفاده مي‌کردند. همه‌ي اين ابزار‌هاي محاسباتي پيش از کشف سيليکون و استفاده از آن در ساخت مدارات مجتمع صورت گرفته است. پيش از به کارگيري مدارات مجتمع، ترانزيستورهاي گسسته ساختار اصلي سوپرکامپيوترهايي نظير اطلس و 3MFLOP CDC 6600 را تشکيل داده بود. در صورتي که نگاهي به تاريخ کامپيوترهاي توسعه يافته سي سال پيش از قانون مور داشته باشيم، مي‌توان سير پيشرفت قدرت پردازشي را از يک پردازش در هر ثانيه در کامپيوتر Konard Zuse's Z1 در سال ۱۹۳۸ تا 3MFLOP CDC 6600 در سال ۱۹۵۶ مشاهده کرد. Z1 را بايد اولين نمونه‌اي خواند که از ساختار قابل برنامه ريزي بهره مي برد. با نگاهي به روند افزايش قدرت پردازشي کامپيوتر‌ها در طول تاريخ صد ساله که شامل دوران پيش از کشف سيليکون و ارائه‌ي قانون مور نيز مي‌شود، مي‌توان به روشني ديد که سير بالا رفتن قدرت پردازشي از روند مشابه قانون مور پيروي کرده است. دوران پس از مدارات مجتمع در حال حاضر توليدکنندگان پردازنده‌ها و مدارات مجتمع از جنبه‌ي قدرت پردازشي و فاکتورهاي فيزيکي در حال نزديک شدن به بن‌بست از نظر قانون مور هستند، چراکه سيليکون از نظر فيزيکي ديگر اجازه‌ي دو برابر شدن تعداد ترانزيستورهاي مورد استفاده در هسته‌هاي پردازشي را نمي‌دهد. توليدکنندگان از اين‌رو در پي يافتن فناوري‌هاي ديگري براي توسعه پردازنده‌هاي قوي‌تر هستند. يکي از مفاهيمي که در حال حاضر نيز مي‌توان استفاده از آن را در پردازنده هاي گرافيکي به عينه ديد، پردازش مساوي است. اين مفهوم قدرت پردازشي بالايي را در اختيار کاربر قرار مي‌دهد. مي‌توان با تغييرات در نرم‌افزار و اضافه کردن قابليت استفاده از چندين هسته، پردازش‌هاي موازي را در بستر گسترده‌تري به کار گرفت. استفاده از گرافين و نانو لوله‌هاي کربني در کنار رايانش کوانتومي از جمله‌ي ساير حوزه‌هايي است که دانشمندان در حال توسعه‌ي آن هستند. بايد ديد که در آينده کداميک از فناوري‌ها مي‌تواند به بقاي قانون مورد کمک کند؟