Was ist das Moore’s Law? Ist es tot?

Intel-Mitbegründer Gordon Moore hat unsere Vorstellungen von Computern für immer verändert. 55 Jahre später kann man jedoch mit Sicherheit sagen, dass das Moore’s Law endgültig tot ist. Was kommt also als Nächstes?

Was ist das Moore’s Law?

Im Jahr 1965 stellte Gordon Moore fest, dass sich die Anzahl der Transistoren in einem dichten integrierten Schaltkreis alle 18 Monate verdoppelt (später korrigierte er diese Zahl auf  zwei Jahre ), wodurch die Verarbeitungsleistung steigt. 1968 gründete Moore zusammen mit Robert Noyce Intel und seine Beobachtung wurde zur treibenden Kraft hinter Intels Erfolg mit dem Halbleiterchip . Die Tatsache, dass das Moore’s Law über 50 Jahre lang als Leitfaden für Innovationen überlebte, überraschte Moore selbst. In  einem Interview aus dem Jahr 2015 beschreibt er einige mögliche Hindernisse im Zusammenhang mit der weiteren Miniaturisierung: die Lichtgeschwindigkeit, die atomare Natur der Materialien und die steigenden Kosten.

Dennoch haben Techniker das Moore’s Law verinnerlicht und sich an den Glauben gewöhnt, dass sich die Computergeschwindigkeit alle 18 Monate verdoppelt, wie Moore vor über 50 Jahren feststellte, und bis vor kurzem stimmte das auch. Doch das Moore’s Law ist inzwischen obsolet . Warum? Was ist die größte Einschränkung des Moore’s Law? Und welche Alternativen haben wir?

Moore’s Law und der Mikroprozessor

Zunächst ein wenig Hintergrund: Eine CPU (Central Processing Unit) führt grundlegende Rechenoperationen aus. Ein Mikroprozessor vereint die Funktionen einer CPU auf einem einzigen integrierten Schaltkreis, der wiederum aus Transistoren besteht. Heutzutage ist eine CPU ein Mikroprozessor (bestehend aus einem einzigen Schaltkreis) mit Milliarden von Transistoren. Eine Xbox One hat beispielsweise 5 Milliarden .

Der erste Mikroprozessor von Intel , Intel 4004, hatte 2.300 Transistoren mit einer Größe von jeweils 10 Mikrometern. Im Jahr 2019 war ein einzelner Transistor auf dem Massenmarkt im Durchschnitt 14 Nanometer (nm) groß, wobei 2018  viele 10-nm-Modelle auf den Markt kamen. Intel gelang es , über 100 Millionen Transistoren auf jeden Quadratmillimeter zu packen. Die kleinsten Transistoren  erreichen 1 nm . Viel kleiner geht es nicht. 

Bedrohungen für Moore’s Law und Grenzen der Innovation

Atomare Größenordnung und explodierende Kosten

Die Lichtgeschwindigkeit ist endlich und konstant und stellt eine natürliche Begrenzung der Anzahl von Berechnungen dar, die ein einzelner Transistor verarbeiten kann. Schließlich können Informationen nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit übertragen werden. Derzeit werden Bits durch Elektronen modelliert , die durch Transistoren wandern. Die Berechnungsgeschwindigkeit wird also durch die Geschwindigkeit eines Elektrons begrenzt, das sich durch Materie bewegt. Drähte und Transistoren werden durch die Kapazität C (Speicherkapazität für Elektronen) und den Widerstand R (wie stark sie dem Stromfluss widerstehen) charakterisiert. Mit der Miniaturisierung steigt R, während C sinkt, und es wird schwieriger, korrekte Berechnungen durchzuführen.

Bei der weiteren  Miniaturisierung von Chips werden wir zweifellos auf  Heisenbergs Unschärferelation stoßen , die die Präzision auf Quantenebene begrenzt und damit unsere Rechenkapazitäten einschränkt. James R. Powell hat berechnet , dass Moore’s Law allein aufgrund der Unschärferelation bis 2036 überholt sein wird.

Tatsächlich gibt es vielleicht schon genug Gründe, zu fragen: „Ist Moore’s Law tot?“ Robert Colwell, ehemaliger Direktor des Microsystems Technology Office bei der Defense Advanced Research Projects Agency, verwendet das Jahr 2020 und 7 nm als letzten Prozesstechnologieknoten. „Tatsächlich erwarte ich, dass die Industrie alles daran setzt, um auf 5 nm zu kommen, auch wenn 5 nm gegenüber 7 (nm) keinen großen Vorteil bietet und das früheste Ende auf 2022 verschoben wird. Ich denke, das Ende kommt genau um diese Knoten herum.“

Ein weiterer Faktor, der die Zukunft von Moore’s Law bedroht, sind die steigenden Kosten für Energie, Kühlung und Herstellung. Der Bau neuer CPUs oder GPUs (Graphics Processing Units) kann sehr teuer sein.  Die Kosten für die Herstellung eines neuen 10-nm-Chips betragen rund 170 Millionen US-Dollar, fast 300 Millionen US-Dollar für einen 7-nm-Chip und über 500 Millionen US-Dollar für einen 5-nm-Chip. Diese Zahlen können nur mit einigen Spezialchips steigen. So hat NVidia beispielsweise über 2 Milliarden US-Dollar für Forschung und Entwicklung ausgegeben , um eine GPU zu produzieren, die KI beschleunigen soll  .

Die Zukunft des Moore’s Law und der Informatik

Quanten-Computing

Unter Berücksichtigung aller dieser Faktoren ist es notwendig, nach alternativen Rechenmethoden außerhalb der Elektronen und Siliziumtransistoren zu suchen, auf denen das Moore’s Law beruht.

Eine Alternative, die immer mehr an Bedeutung gewinnt, ist  das Quantencomputing . Quantencomputer basieren auf Qubits (Quantenbits) und nutzen Quanteneffekte wie Superposition und Verschränkung zu ihrem Vorteil, wodurch sie die Miniaturisierungsprobleme  klassischer Computer überwinden . Es ist noch zu früh, um vorherzusagen, wann sie weite Verbreitung finden werden, aber es gibt bereits  interessante Beispiele für ihre Verwendung im Gaming-Bereich . Das dringendste Problem beim Quantencomputing ist die Skalierung von Quantencomputern von Dutzenden Qubits auf Tausende und Millionen Qubits.

Spezialisierte Architektur

Ein anderer Ansatz ist eine spezialisierte Architektur, die auf bestimmte Algorithmen abgestimmt ist . Dieses Feld wächst dank der großen Nachfrage im Bereich  des maschinellen Lernens sehr schnell . GPUs werden bereits seit über einem Jahrzehnt für das Training von KI verwendet. In den letzten Jahren hat Google TPUs (Tensor Processing Units) eingeführt, um die KI zu verbessern, und derzeit stellen  über 50 Unternehmen KI-Chips her, darunter  Graphcore ,  Habana oder  Horizon Robotics sowie  die meisten führenden Technologieunternehmen .

FPGA

In der Praxis bedeuten FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays), dass ein Stück Hardware nach dem Herstellungsprozess programmiert werden kann. FPGAs wurden erstmals 1985  von Seiko hergestellt , aber verschiedene neuprogrammierbare Hardware lässt sich bis in die 1960er Jahre zurückverfolgen. FPGAs kommen in letzter Zeit in Mode, insbesondere durch ihren Einsatz in Rechenzentren von  Intel und  Microsoft . Microsoft hat FPGAs auch verwendet, um die Bing-Suche zu beschleunigen . Ein ähnliches Konzept wie FPGAs sind ASICs (anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise). In letzter Zeit waren sie beim Mining von Kryptowährungen äußerst beliebt .

Spintronik, optische Computertechnik und mehr

Eine weitere Alternative zur klassischen Computertechnik und dem Mooreschen Gesetz besteht darin, Silizium oder Elektronen durch etwas anderes zu ersetzen. Wenn man den Spin von Elektronen statt ihrer Ladung nutzt, entsteht  Spintronik , Elektronik auf Spinbasis. Die weitverbreitete Anwendung von Spintronik befindet sich noch in der  Forschungsphase , und es gibt noch keine Massenmarktmodelle. Wissenschaftler erforschen derzeit auch optische Computer – also die Verwendung von Licht zur Durchführung von Berechnungen. Dem Bau eines industriellen optischen Computers  stehen jedoch noch viele Hindernisse im Weg steganography.

Schließlich beobachten wir eine zunehmende Zahl von Experimenten mit Materialien, die nicht auf Silizium basieren. Verbundhalbleiter kombinieren zwei oder mehr Elemente des Periodensystems, wie Gallium und Stickstoff. Verschiedene Forschungslabors testen auch  Transistoren aus Silizium-Germanium oder Graphen. Und nicht zuletzt beschäftigen sich einige Forscher mit biologischen Computern , bei denen Zellen oder DNA als integrierte Schaltkreise verwendet werden, aber das ist noch  nicht abgeschlossen . 

Um das Moore’s Law zu überwinden, müssen wir die Grenzen der klassischen Computertechnik mit Elektronen und Silizium überwinden und in die Ära der Computer ohne Silizium eintreten. Die gute Nachricht ist, dass es viele Möglichkeiten gibt, von Quantencomputern über Wundermaterialien wie Graphen bis hin zu optischen Computern und Spezialchips. Wie auch immer der Weg aussehen mag, die  Zukunft der Computertechnik ist auf jeden Fall spannend! Ruhe in Frieden, Mooresches Gesetz.

Häufig gestellte Fragen