Mooresches Gesetz

Als Mooresches Gesetz wird die Beobachtung bezeichnet, dass sich durch den technischen Fortschritt die Komplexität von integrierten Schaltkreisen etwa alle 24 Monate verdoppelt. Dieser Sachverhalt bildet eine wesentliche Grundlage der „digitalen Revolution“.

Gordon Moore bemerkte in einem Artikel, der am 19. April 1965 – also nur wenige Jahre nach der Erfindung der Integrierten Schaltung (IC - Integrated Circuit) im September 1958 – in der Fachzeitschrift Electronics erschien, dass die Dichte der Transistoren auf einer integrierten Schaltung mit der Zeit exponentiell ansteigt. Die Presse, die die Geschichte aufgriff, nannte diese Regelmäßigkeit dann das Mooresche Gesetz. Es handelt sich dabei allerdings genau genommen nicht um ein wissenschaftliches Naturgesetz, sondern um eine durch empirische Beobachtung begründete Faustregel, die wiederum auf Planungen der Halbleiterindustrie beruht („Road Map“), die sich über Jahre erstrecken. In diesem Sinne kann das Mooresche Gesetz auch als „Generalplan der Halbleiterindustrie“ verstanden werden.

Ursprünglich sagte Moore in seinem Electronics-Artikel eine Verdopplung alle 12 Monate voraus. Er korrigierte seine Beobachtung jedoch 1975 in einer Rede auf der SPIE Konferenz (The International Society of Optical Engineering) auf alle 24 Monate, nachdem sich die stürmische Entwicklung der ersten Jahre verlangsamt hatte. In den Medien wird, im Zusammenhang mit dem Mooreschen Gesetz, bis heute oft von einer Verdopplung der Integrationsdichte alle 18 Monate gesprochen. Tatsächlich aber bestreitet Gordon Moore bis heute, jemals einen Zeitraum von 18 Monaten genannt zu haben.

Dass die Rechenleistung der Computer exponentiell anwächst, kann daraus jedoch nicht gefolgert werden. Bei modernen Prozessoren werden immer mehr Transistoren für einen integrierten Speicher (Cache) verwendet, der zur Rechenleistung nur passiv beiträgt, indem Schreib- und Lesezugriffe auf benötigte Daten beschleunigt werden. Als Beispiel sei hier der Vergleich des Pentium-III 500 MHz mit einer 1000-MHz-Variante angegeben.

Prozessor	Transistoren	SPEC-Werte
Prozessor	Transistoren	Ganzzahl	Fließkomma
Pentium-III 500 MHz (externer L2-Cache)	9,5 Mio.	20,6	14,7
Pentium-III 1000 MHz (interner L2-Cache)	28,5 Mio.	46,8	32,2

Die Leistungssteigerung mit dem Faktor 2,3 wurde erst mit einer Verdreifachung der Transistoranzahl (und Verdoppelung der Taktrate) erreicht. Zusätzlich zur Integration von Caches und Controllern (Beispiel: AMD Athlon 64), können mehrere Prozessorkerne (Beispiel: IBM Power4) auf einem Chip Platz finden.

Trotz steigender technischer Herausforderungen ist die Mooresche Faustregel seitdem gültig geblieben.

Allerdings mehren sich die Stimmen, die eine eventuelle Verlangsamung der Integrationsdichte in naher Zukunft erwarten. Zum einen werde eine technische Grenze erreicht, wenn ein Transistor die Ausdehnung weniger Atome erreiche. Zum anderen wachse der finanzielle Aufwand zur Entwicklung und Herstellung integrierter Schaltkreise schneller als die Integrationsdichte, so dass es einen Punkt geben werde, an dem die Investitionen sich nicht mehr rentieren würden. Bei Annahme eines exponentiellen Wachstums der Entwicklungskosten wäre gleichermaßen eine Grenze durch das verfügbare Kapital vorgegeben.

Raymond Kurzweil und andere halten das Mooresche Gesetz nur für einen Spezialfall eines allgemeineren Gesetzes, wonach die gesamte technologische Evolution verlaufe. Ist das Potenzial einer speziellen Technologie ausgeschöpft, so wird sie von einer neuen abgelöst. Auch das Ende der Wirksamkeit der Mooreschen Faustregel wurde schon oft vorausgesagt, aber die prognostizierten Hürden wurden überwunden, bevor sie noch wirklich relevant wurden. Entwicklungspläne bis zum Jahr 2020 sind unter anderem bei der SEMATech, einer Vereinigung der weltweit größten Halbleiterhersteller, zu finden.

Kurzweil bezieht sich in seiner kritischen Erörterung des Mooreschen Gesetzes nicht auf „Transistoren pro Chip“ sondern auf die „Rechenleistung pro 1000-Dollar-Computer“. Betrachtet man die Entwicklung von mechanischen Rechenmaschinen, über Röhren und Transistoren bis zum heutigen Mikroprozessor, zeige dies eine doppelt exponentielle Steigerung der Leistungsfähigkeit. (Für kürzere Zeiträume ist die einfach-exponentielle Steigerung jedoch noch eine gute Approximation). Die Rechenleistung pro 1000 Dollar verdoppelte sich in den Jahren 1910 bis 1950 im Abstand von drei Jahren (mechanische Rechenmaschinen), von 1950 bis 1966 etwa alle zwei Jahre und jetzt etwa jährlich.

Auf das Mooresche Gesetz stützen einige Futurologen Spekulationen, dass gewöhnliche Computer mit dem Übertreffen der Rechenleistung eines menschlichen Gehirns und mit einer starken künstlichen Intelligenz die technische Entwicklung derart beschleunigen könnten, dass der Mensch diese nicht mehr begreifen würde. Dieser Zeitpunkt wird technologische Singularität genannt.

2005 lief die konkurrenzfähige Herstellung der Chips für den Weltmarkt mit Strukturen zwischen 130 und 90 Nanometern. In Vorbereitung für die Massenfertigung befand sich die 65 nm Technik. Im Entwicklungslabor befasste man sich bereits mit deutlich kleineren Strukturgrößen. So wurden schon erste Prototyp-Transistoren mit nur 10 nm Gatelänge gefertigt - das beschrieb eine Veröffentlichung von Robert Chau auf der 61sten Device Research Conference, Salt Lake City, Utah vom 23. Juni 2003. Solche Transistoren würden für die 22 nm Herstellungstechnik gebraucht, die nach dem Mooreschen Gesetz 2011 zum Einsatz kommen soll.

Zum Vergleich: Transistoren aus der Halbleiterfertigung mit 90 nm haben eine Gatelänge von ca. 50 nm und sind etwa so groß wie ein Influenzavirus. Bei der Herstellung werden solch kleine Strukturen über lithographische Belichtung erreicht. Für immer höhere Auflösungen wird derzeit an „nassen“ Belichtungsverfahren gearbeitet. Die sogenannten Immersionsverfahren sollen die nötige Auflösung für die Fertigung in der nahen Zukunft sicherstellen. Für noch kleinere Strukturen bei der 32 nm Fertigung und danach wird ein komplett neues Belichtungsverfahren nötig: EUV. Diese gegenwärtig noch nicht technisch hinreichend umsetzbare EUV-Technik arbeitet mit 13 nm Wellenlängen. EUV ist die gängige Abkürzung für „extremes Ultraviolett“, auch „weiche“ Röntgenstrahlung genannt.

Ende März 2006 kündigte Intel den Start der Massenfertigung mit 45 nm Technologie für Ende 2007 an - zu diesem Zeitpunkt produzierte der Hauptmitbewerber AMD mit 90 nm, Intel aber bereits mit der 2005 angekündigten 65-nm-Technologie.

Etwa zeitgleich gab IBM bekannt, dass es mit tief ultravioletten Laserstrahlen (DUV-Lithografie) gelungen sei, Strukturgrößen von 29,5 nm zu erreichen. Während die zuvor angesprochene EUV-Technik (32 nm) zu diesem Zeitpunkt noch weitestgehend unerpobt war, konnten die IBM-Forscher mittels DUV schon erste Erfolge erzielen - damit scheint das Mooresche Gesetz auch weiterhin seine Gültigkeit zu behalten.

Weblinks

ftp://download.intel.com/research/silicon/moorespaper.pdf
http://www.intel.com/technology/mooreslaw/index.htm
http://www.intel.com/technology/silicon/mooreslaw/index.htm
http://www.intel.com/pressroom/kits/events/moores_law_40th/
http://www.intel.com/technology/silicon/micron.htm
http://www.intel.com/cd/corporate/techtrends/emea/deu/209836.htm Vierzig Jahre Mooresches Gesetz
http://beat.doebe.li/bibliothek/w00862.html Beat Doebelis Begriffsnetz-Grafik und Definitions- Versionen
http://www.zeit.de/2005/16/Moore_s_Gesetz
The Law of Accelerating Returns - Artikel in dem Kurzweil ausgehend vom Mooreschen Gesetz die Beschleunigung der Technologischen Entwicklung prognostiziert.

Meldungen des heise.de-Newstickers:
- Intel und Qinetiq wollen mit III-V-Halbleitern das Mooresche Gesetz fortführen (vom 8. Dezember 2005 12:16)
- Vor 40 Jahren: Electronics druckt Moores Gesetz (vom 19. April 2005 00:07) – Artikel über die Hintergründe und Umstände der Veröffentlichung

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Weblinks