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Am 24. März 2023 starb der amerikanische Wissenschaftler und Unternehmer Gordon Moore im Alter von 94 Jahren. Gordon Moore, ein echter „großer Kerl“, ein Förderer der menschlichen technologischen Entwicklung und ein Gigant, der die gesamte Computerindustrie beeinflusste. Das Mooresche Gesetz , die größte Errungenschaft von Herrn Moore, förderte nicht nur die rasante Entwicklung der Computertechnologie und ermöglichte eine breitere Nutzung von Computern, sondern hatte auch einen unsichtbaren und tiefgreifenden Einfluss auf die Entwicklung der menschlichen Wissenschaften.

Gordon Moore, Bildquelle: Wikipedia

Zu diesem Zeitpunkt waren alle „Acht Verräter“ von Fairchild, die vor Dr. Shockley geflohen waren, verstorben und ihre Ära war zu Ende, aber der kostbare Reichtum, den sie der Menschheit brachten, machte sie unsterblich.

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„Verräter“ übernehmen die Führung beim „Rollen“ von Chips

Die Geschichte beginnt mit William Shockley von Bell Labs. Der Wissenschaftler war Miterfinder des Transistors bei Bell Labs und erhielt dafür den Nobelpreis für Physik.

William Shockley, Bildquelle: Wikipedia

Um mehr Geld zu verdienen, gründete Shockley 1955 sein eigenes Labor, das Shockley Semiconductor Laboratory. Das Labor befindet sich in Palo Alto, Kalifornien, USA.

Shockley Semiconductor Laboratory, Bildquelle: Wikipedia

Diese Stadt ist Ihnen vielleicht nicht so vertraut, aber sie war die Heimat vieler riesiger Unternehmen und ist auch heute noch Sitz zahlreicher Firmen. Es hat einen bekannteren Namen: Silicon Valley .

Shockley war ein hervorragender Physiker, aber es fehlte ihm an umfassender Geschäftserfahrung und hervorragenden Managementfähigkeiten. Bereits sechs Monate nach der Firmengründung war bei vielen Mitarbeitern die Unzufriedenheit mit ihm groß. Am 18. September 1957 reichten Robert Noyce und sieben Kollegen vom Shockley Semiconductor Laboratory gemeinsam ihre Kündigungsschreiben bei Shockley ein.

Shockley war damals außer sich vor Wut und denunzierte diese acht jungen Männer als undankbare Verräter. Dies ist der Ursprung der „Acht Verräter von Fairchild“. Was Shockley damals nicht erwartete, war, dass diese Leute in Zukunft zu Legenden des Silicon Valley werden würden. Später änderte sogar Shockley selbst seine Worte und nannte sie „acht geniale Rebellen“.

Ein Gruppenfoto der „Traitorous Eight“, von links nach rechts: Gordon Moore, Sheldon Roberts, Eugene Kleiner, Robert Noyce, Victor Grinich, Julius Blank, Jean Hoerni und Jay Last. Bildquelle: Wikipedia

Nachdem sie Shockley verlassen hatten, gründeten die „Traitor Eight“ die berühmte Fairchild Semiconductor Company . Der Name Fairchild ist eng mit dem Silicon Valley verbunden. Es ist keine Übertreibung zu sagen, dass die Gründung von Fairchild Semiconductor die Geburtsstunde des Silicon Valley markierte.

Im Jahr 1968 wiederholte sich die Geschichte aufgrund einer Reihe von Problemen, die durch das schnelle Wachstum von Fairchild Semiconductor verursacht wurden. Moore lehnte sich gegen Fairchild auf und gründete zusammen mit Robert Noyce, dem Erfinder des integrierten Schaltkreises, und Andy Grove Intel . Damit begann die Reise der „Trinity Intel Legend“.

Im Jahr 1965 wurde Moore von der Zeitschrift Electronics eingeladen, das Buch „Packaging More Components onto Integrated Circuits“ zu schreiben. In diesem nur vierseitigen Artikel hat Moore Daten aus mehreren Jahren zusammengetragen und das berühmte Mooresche Gesetz niedergeschrieben: In den nächsten zehn Jahren wird sich die Anzahl der Transistoren pro Flächeneinheit von Chips jedes Jahr verdoppeln.

Im Jahr 1975 stellte Moore möglicherweise fest, dass diese Geschwindigkeit zu hoch war, und änderte daher das Mooresche Gesetz dahingehend, dass sich die Geschwindigkeit alle zwei Jahre verdoppelt .

In dem Papier heißt es, dass sich die Anzahl der Transistoren pro Flächeneinheit eines Chips im nächsten Jahrzehnt jedes Jahr verdoppeln werde. Bildquelle: „Mehr Komponenten in integrierte Schaltkreise einbauen“

Vielleicht hätte nicht einmal Moore selbst erwartet, dass diese wenigen Zeilen im nächsten halben Jahrhundert zum Entwicklungsgesetz für Halbleiter werden und von der ganzen Welt befolgt werden würden.

Das berühmte Mooresche Gesetz, das die Anzahl der Transistoren alle 18 Monate verdoppelt, war eigentlich eine Modifikation von David House, dem späteren CEO von Intel. Er veränderte nicht nur die Uhrzeit, sondern interpretierte auch die Verdoppelung der Transistoranzahl fälschlicherweise als „Verdoppelung der Leistung“. Nach der Einführung des Mooreschen Gesetzes begaben sich Halbleiterunternehmen auf der ganzen Welt auf den Weg der „Involution“ in der Branche. Im kommerziellen Zeitalter ist das Mooresche Gesetz zu einem Werbeinstrument geworden und hat sich zu einem Wirtschaftsgesetz entwickelt.

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Mooresches Gesetz

Transistoren „abspecken“

Warum kann sich die Anzahl der Transistoren in kurzer Zeit verdoppeln? Warum gilt das Mooresche Gesetz? Diese Probleme beginnen mit Transistoren.

Ein Transistor ist wie zwei Dioden, die Ende an Ende verbunden sind. Auf beiden Seiten befinden sich Halbleiter des gleichen Typs und in der Mitte ein anderer Halbleitertyp. Unter normalen Umständen kann kein Strom hindurchfließen, aber wenn wir Strom an den Halbleiter in der Mitte anlegen, wird der Transistor eingeschaltet, solange der Strom einen bestimmten Schwellenwert erreicht, was dem Öffnen des Schalters entspricht, und unterhalb des Schwellenwerts entspricht der Transistor einem Leistungsschalter.

Diese Fähigkeit, durch die Regulierung des Stroms ein freies Schalten zu erreichen, ist die wichtigste Funktion des Transistors, die die Tür zur digitalen Elektronik und digitalen Speicherung öffnet.

Transistoren unterschiedlicher Größe, Bildquelle: Wikipedia

Menschen kombinieren viele Transistoren mit anderen Komponenten, um verschiedene Arten von Logikschaltungen zu bilden – UND-, ODER-, NICHT-Gatterschaltungen, die zu verschiedenen Rechenfunktionen kombiniert werden können. Im Vergleich zu herkömmlichen Schaltkreisen verfügt dieser Schaltkreistyp nicht nur über eine höhere Rechengeschwindigkeit, sondern kann auch sehr klein hergestellt werden, sodass er sich leicht in verschiedene Mikrogeräte integrieren lässt. Dabei handelt es sich um den sogenannten integrierten Schaltkreis , den „Vorläufer“ des modernen Internets und der Computer und Mobiltelefone um Sie herum.

Je mehr Transistoren vorhanden sind, desto mehr Logikschaltungen können sie bilden und desto mehr Zahlen können wir gleichzeitig berechnen, wodurch schnellere integrierte Schaltkreise entstehen. Aus diesem Grund entstanden großformatige und sogar ultragroßformatige integrierte Schaltkreise.

Transistoren in einem integrierten Schaltkreis, Bildquelle: Wikipedia

Aus der obigen Beschreibung können Sie entnehmen, dass bei gleicher Chiparchitektur die Anzahl der Transistoren tatsächlich die Leistung des Chips bestimmt . Wie also verdoppeln wir die Anzahl der Transistoren pro Flächeneinheit eines Chips? Die Antwort ist eigentlich ganz einfach: Reduzieren Sie die Fläche jedes Transistors auf die Hälfte des Originals.

Frühe Chips hatten nur eine zweidimensionale Anordnung. Wenn wir den Transistor als Rechteck betrachten, kann die Fläche eines einzelnen Transistors auf die Hälfte der ursprünglichen Größe reduziert werden, solange seine Länge und Breite auf das 0,7-fache des Originals reduziert werden (0,7 × 0,7 = 0,49). Die Länge und Breite des Transistors betragen das 0,7-fache des Originals, und seine Gate-Länge wird natürlich das 0,7-fache des Originals betragen.

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Was ist ein Tor? Das Gate eines Transistors fungiert als Zaun, der Elektronen blockieren oder durchlassen kann. Seine Funktion besteht darin, die durch den Transistor fließende Stromstärke durch Anpassung des Gate-Stroms anzupassen.

Das Gate ist eigentlich der Kern der Funktion des Transistors , daher verwenden Wissenschaftler die minimale Gate-Länge als Maß für den Prozessfortschritt, was in der kommerziellen Propaganda oft als Chipherstellungsprozess bezeichnet wird. Nun dürfte Ihnen klar sein, warum der von den Handyherstellern propagierte Chip-Prozess (von 14 Nanometern, 10 Nanometern, 7 Nanometern und dann auf 5 Nanometer) jedes Mal um den Faktor 0,7 verkleinert wurde.

Aufgrund der Erfindung der dreidimensionalen Transistorstapeltechnologie, der Weiterentwicklung der Chipfrequenz und physikalischer Einschränkungen können heutige Chips natürlich weder die Anzahl der Transistoren „aufrollen“, noch können sie das Mooresche Gesetz der Transistorverdoppelung erreichen . Aus diesem Grund hatte Intel keine andere Wahl, als das Mooresche Gesetz zu ändern, um „die Leistung zu verdoppeln“. Auch dem sogenannten Chip-Verfahren kommt eine symbolische Bedeutung zu . Es handelt sich um eine Marketingmethode, die entwickelt wurde, um dem Mooreschen Gesetz zu folgen und nicht mehr die minimale Gate-Länge des tatsächlichen Chips darzustellen.

Die Halbleiterindustrie entwickelt sich seit mehr als einem halben Jahrhundert nach dem Mooreschen Gesetz. Von den 2.250 Transistoren im ersten kommerziellen Chip bis zu den zig Milliarden Transistoren, die heute in einer kleinen CPU stecken, sind sie die Kristallisation der Weisheit Tausender Ingenieure. Der Wettbewerb auf den Halbleiterherstellern wird immer härter, die Anzahl der Transistoren steigt, die Chipleistung verbessert sich ständig und der Preis sinkt natürlich. Die rasanten Veränderungen und Innovationen in Technologien wie dem Internet und Smartphones, die wir heute genießen können, sind untrennbar mit der Befolgung des Mooreschen Gesetzes durch die Menschheit verbunden.

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Mooresches Gesetz

Wird es verschwinden?

Leider nähert sich die Prozesstechnologie mit der kontinuierlichen Einführung neuer Prozessknoten allmählich der physikalischen Grenze, wodurch das Mooresche Gesetz unhaltbar wird.

Wenn es um den Grund geht, warum das Mooresche Gesetz seine Grenzen erreicht hat, hören Sie wahrscheinlich am häufigsten den Quantentunneleffekt . Wenn Transistoren weiter schrumpfen, könnten sie sogar die Größe weniger Atome erreichen. In diesem Maßstab werden Quanteneffekte erheblich verstärkt. Zu diesem Zeitpunkt muss kein Strom an das Gate angelegt werden und einige Elektronen können direkt vom Emitter zum Kollektor fließen, was die Funktion des Transistors erheblich schwächt und sehr schwerwiegende Folgen haben kann.

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Um die Gate-Größe weiter zu reduzieren, wurden auch verschiedene Lösungen vorgeschlagen, beispielsweise das Ersetzen des Gate-Materials durch ein Material mit hoher Dielektrizitätskonstante, um das Eindringen von Elektronen zu verhindern. Alternativ kann das Gate in eine gegabelte 3D-Struktur ähnlich einer Fischflosse umgewandelt werden. Außerdem kann eine dreidimensionale Struktur als Ersatz für das planare Gerät verwendet werden, um die Steuerbarkeit des Gates zu verbessern und so die Auswirkungen des Quantentunneleffekts auf den Chip zu verringern.

Doch bei diesen Methoden handelt es sich lediglich um „Verzögerungstaktiken“. Wenn es in der Materialwissenschaft keinen Durchbruch gibt, werden mit der zunehmenden Anzahl von Transistoren die Produktionskosten weiter steigen und auch die Leistungsverbesserung von Transistoren wird auf Engpässe stoßen. Eines Tages wird das Mooresche Gesetz „sterben“ .

Einige sagen voraus, dass die Grenze des Mooreschen Gesetzes etwa im Jahr 2025 erreicht sein wird, doch einige Optimisten glauben, dass es länger anhalten kann. In den letzten Jahren, mit dem Beginn des KI-Zeitalters, gab es immer mehr Diskussionen über das Ende des Mooreschen Gesetzes. Tatsächlich hat Moore selbst den Tag vorausgesehen, an dem das Mooresche Gesetz ungültig werden würde.

Bereits 2015 sagte Moore in einem Interview: Das Mooresche Gesetz wird nicht ewig gültig sein, aber wenn gute Ingenieurstechnologie angewendet wird, kann das Mooresche Gesetz noch 5 bis 10 Jahre Bestand haben. Interessanterweise stimmt Intel mit den Ansichten des alten Chefs nicht überein. Sie erklären öffentlich oft, dass das Mooresche Gesetz „lebendig und gesund“ sei.

Obwohl es eine unbestreitbare Tatsache ist, dass sich der Anstieg der Anzahl an Transistoren verlangsamt hat, arbeiten die großen Hersteller weiterhin hart daran, mit dem Mooreschen Gesetz Schritt zu halten. In Zukunft könnten Menschen die Leistung von Transistoren verbessern, indem sie die Hardwarestruktur optimieren und effizientere Materialien verwenden, oder sie könnten neue Computerarchitekturen wie Quantencomputer und neuronale Computer einsetzen, um den Anforderungen verschiedener Bereiche und Anwendungen gerecht zu werden.

Da die KI eine „kambrische Explosion“ erlebt, benötigen wir leistungsfähigere, schnellere und energieeffizientere Chips, um komplexere, intelligentere und innovativere KI-Systeme zu unterstützen. Der CEO des Unternehmens, das das derzeit beliebte ChatGPT entwickelt hat, postete einst in den sozialen Medien, dass bald eine neue Version des Mooreschen Gesetzes – die globale Rechenleistung künstlicher Intelligenz verdoppelt sich alle 18 Monate – erscheinen werde. Dies ist möglicherweise die beste Hommage an Herrn Gordon Moore.

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Abschluss

In diesem Zeitalter des raschen Wandels steigen die Erwartungen der Menschen an die Technologie ständig. Die Einführung des Mooreschen Gesetzes hat der Vorstellungskraft der Menschen keine Grenzen gesetzt und ihnen grenzenlose Erwartungen an zukünftige Technologien gegeben. Von elektronischen Computern bis hin zu Quantencomputern, vom traditionellen Internet bis hin zur Blockchain-Technologie: Die Computertechnologie entwickelt sich mit erstaunlicher Geschwindigkeit und verändert die Welt und das Leben der Menschen ständig. Daher müssen wir ständig nach neuen Technologien und Methoden suchen, um die Weiterentwicklung der Computertechnologie voranzutreiben.

Gleichzeitig müssen wir uns aber auch der Komplexität und Vielfalt der Entwicklung der Computertechnologie bewusst sein und sollten uns nicht zu sehr auf die Vorhersagen und Versprechen des Mooreschen Gesetzes verlassen. Nur durch kontinuierliche Innovation und Forschung können wir eine sprunghafte Entwicklung der Computertechnologie sowie Wohlstand und Fortschritt der menschlichen Gesellschaft erreichen.

Quellen:

[1] Moore, GE (1965). Mehr Komponenten auf integrierte Schaltkreise packen. Elektronik, 38(8), 114-117.

[2] CEA-LETI. (2020). Letis Fahrplan zur Überwindung der Einschränkungen des Mooreschen Gesetzes. Abgerufen von

[3] Denning, PJ (2013). Großartige Prinzipien der Informatik. Mitteilungen der ACM, 56(9), 34-42.

[4] Wu Jun. „Das Geheimnis des Silicon Valley“[J]. Ostchinesische Wissenschaft und Technologie, 2016, Nr. 359 (01):79.

Rezension: Wissenschaftspopularisierung China

Autor: Wang Zhihao (Changchun Institut für Optik, Feinmechanik und Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

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