Mooren laki

Transistorien määrä vuosien 1971-2018 (kuva muuttuu kun saa ylläpidolta varmistuksen)

Mooren laki (Moore's law) on Gordon E. Mooren ennustus tietokoneen prosessorien transistorien määrän kasvusta. Lain mukaan transistorien määrä kuluttajahintaisissa prosessoreissa tuplaantuu noin joka toinen vuosi. Mooren vuonna 1965 julkaiseman artikkelin mukaan transistorien määrä tuplaantuisi joka vuosi, ainakin seuraavan 10 vuoden ajan. Vuonna 1975 julkaisemassaan paperissa, Moore ennusti transistorien tuplaantuvan noin kahden vuoden välein.

Mooren ennustus osoittautui hyvinkin tarkaksi. Tuotantomenetelmien ja -tekniikoiden parantuessa transistorien määrä kasvoi ennustuksen mukaisesti. Mooren lain mukaisen kasvun on odotettu loppuvan kun transistorien koko on niin pieni, ettei niitä saa enää pienennettyä. Teoreettinen raja siinä on atomien koossa. Transistorien koon tullessa rajaksi, prosessorien koon odotetaan kasvavan.

Mooren laki tänä päivänä

Kun Moore esitteli 70-luvulla päivitetyn lakinsa, prosessorit olivat hyvin alkeellisia tähän päivään verrattuna. 70-luvun alun prosessoreissa oli jopa 10 000nm transistoreja, kun nyt 2018 pystytään valmistamaan alle 10nm transistoreja. Nykyajan trendi on, että halutaan saada tietokone mahtumaan pienempään tilaan ja on selvää, että transistoreja alkaa olla jo vaikea pakata enää pienempään kokoon, joten kehityssuunta tulee muuttumaan seuraavan vuosikymmenen aikana. Jos kehitys pysyisi samana, joutuisivat tutkijat kehittämään vetyatomia pienempiä transistoreja 2050-luvulla.

Erilaisia ennusteita Mooren lain hidastumisesta on esitetty 2010-luvulla ja suurimmat perusteet väitöksille ovat transistorien tiheys ja tuotekehityksen suunta. Näiden ennustuksien mukaan transistorien määrän kasvu ei noudattaisi enää Mooren lakia 2020-luvun alusta alkaen. Transistorien koon pienentämisessä alkavat tulla vastaan jo atomitason ongelmat.

Tulevaisuus

Vaikka transistoreja ei enää atomitason jälkeen voi pakata tiheämpään, se ei tarkoita, etteikö tietokoneiden suoritusteho voisi edelleen nousta. Optisia tietokoneita ollaan vasta suunnittelemassa, mutta tutkimustyö on jo päässyt hyvään vauhtiin. Toisin kuin perinteisissä tietokoneissa, joissa käytetään hyväksi sähkövirtaa ja piipohjaisia mikroprosessoreja, optisessa tietokoneessa hyödynnetään valohiukkasia, fotoneja, jotka kulkevat ns. valosirujen läpi. Sähkön korvaamisesta valolla on paljon etua: tietoa voidaan siirtää hyvin nopeasti ilman, että energiaa muuttuu lämmöksi eli kuluu hukkaan. Nykyisellä mikroprosessoritekniikalla joudutaan tyytymään suhteellisen alhaiseen tiedonkäsittelynopeuteen. Arvioiden mukaan nykymenetelmillä on mahdollista kehittää suoritin, jonka kellotaajuus on noin 100 gigahertsiä. Sekin olisi vain noin 50 kertaa niin nopea kuin nykyiset suorittimet. Sen sijaan optisen tietokoneen kellotaajuus voi ylittää 100 000 gigahertsiä. Valosiruja voidaan valmistaa eri aineista. Niiden toiminnan kannalta keskeisiä ovat tietyn mallin mukaan tehdyt yhdenmukaiset aukot, jotka päästävät läpi vain tietyllä aallonpituudella liikkuvaa valoa. Tämän hetken suurin haaste on kehittää menetelmä, joka mahdollistaa valosirujen sarjatuotannon. Optisesta tietokoneesta tulee totta vasta sitten, kun pystytään valmistamaan massoittain valosiruja, joissa aukot sijaitsevat noin 0,0003 mm:n etäisyydellä toisistaan.

Myöskin asia, joka voi lähitulevaisuudessa tehdä Mooren laista epätoden, on lakiin kuuluva väite siitä, että prosessorit pysyisivät kuluttajahintaisina. Vaikka transistorien määrä prosessoreissa kasvaisikin, ja ne olisivat vain 5 nm kokoisia, voivat ne tällöin olla kuitenkin niin hintavia valmistaa, ettei tavallisella kuluttajalla ole sellaisen hankkimiseen varaa. Esimerkiksi jo silloin, kun transistorit olivat 28 nm kokoisia, huomasivat prosessorivalmistajat tuotantokustannusten nousevan rajusti. Tätä jotkut kriitikot pitivätkin nelisen vuotta sitten sinä kohtana, josta lain paikkaansapitävyyden murentuminen on alkanut.

Koko lain merkitys on nykyään tavallaan kyseenalaista, sillä tietotekniikan kehityssuunnat tähtäävät tänä päivänä enemmän nopeampien ja tehokkaampien algoritmien luontiin ja koneoppimiseen, kuin itse prosessoinnin nopeuttamiseen. Hyvä esimerkki tästä on ns. "Deep-learning" -teknologia, joka ei nojaa vain raakaan tehoon, vaan hyvään ohjelmointiin. Vastaavasti myös pilviprosessoinnin yleistyessä voidaan sanoa, ettei Mooren lailla ole enää niin suurta merkitystä, sillä teollisuuden tavoitteena ei ole luoda yksittäisiä, tehokkaita ja kuluttajahintaisia prosessoreita, vaan mahduttaa mahdollisimman monta erillistä prosessoria taloudellisesti kannattavaan klusteri -serveriin, johon käyttäjillä on yhteys.