Гордон Мур: как закон Мура описал темп развития полупроводников

В 1965 году химик из Калифорнии подготовил для технического журнала небольшую статью с графиком. Он просто соединил точки: количество компонентов на микросхеме удваивалось примерно ежегодно. Та короткая заметка стала, пожалуй, самым известным прогнозом в истории технологий, а её автор — Гордон Мур — на десятилетия вперёд задал ритм, в котором развивалась вся электроника.

Кто такой Gordon Moore простыми словами

Гордон Эрл Мур (1929–2023) — американский химик, инженер и предприниматель, сооснователь двух компаний, определивших лицо Кремниевой долины: Fairchild Semiconductor и Intel. Мир знает его прежде всего благодаря закону Мура — эмпирическому наблюдению об удвоении плотности транзисторов на чипе через определённые интервалы времени.

Говоря просто, Мур сделал две вещи, которые редко удаются одному человеку. Во-первых, он заметил закономерность в развитии полупроводников и сформулировал её так чётко, что ею начали пользоваться инженеры, инвесторы и государственные программы. Во-вторых, он построил компанию, которая эту закономерность ежеквартально подтверждала собственными продуктами. Intel при его участии создала первые коммерческие микросхемы памяти и первый микропроцессор.

В отличие от многих звёзд технологического бизнеса, Мур не был публичным шоуменом. Коллеги описывали его как сдержанного, точного и немного застенчивого учёного, который предпочитал говорить цифрами. Именно эта черта — вера в измеримые факты — и сделала его прогноз таким долговечным.

Детство и путь к науке

Гордон Мур родился 3 января 1929 года в Сан-Франциско и вырос в небольшом городке Пескадеро на побережье Калифорнии. Его отец был заместителем шерифа, мать держала магазин. Позже Мур шутил, что стал первым «настоящим уроженцем» Кремниевой долины среди её будущих легенд — ведь большинство пионеров индустрии приехали в Калифорнию уже взрослыми.

Интерес к химии появился у него рано: подростком он собрал домашнюю лабораторию и экспериментировал с производством взрывчатки — занятие, типичное для любознательных мальчиков тех времён. Образовательный путь был классическим для будущего учёного:

• степень бакалавра химии в Университете Калифорнии в Беркли (1950);
• докторская степень по химии и минор по физике в Калифорнийском технологическом институте (1954);
• постдокторская работа в Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса, где он исследовал физическую химию ракетных топлив.

Работа в Хопкинсе была научно интересной, но Мур посчитал стоимость своих исследований и понял, что общественная польза от них расходится с потраченными миллионами. Он начал искать применение своим знаниям в промышленности. Именно в этот момент его нашёл Уильям Шокли — соизобретатель транзистора и будущий нобелевский лауреат, который набирал команду для собственной полупроводниковой компании в Калифорнии.

Fairchild и «вероломная восьмёрка»

Shockley Semiconductor Laboratory стала для Мура школой технологий кремния — и одновременно школой того, как не надо управлять людьми. Шокли был блестящим физиком, но тяжёлым менеджером: он метался между проектами, не доверял подчинённым и устраивал проверки на детекторе лжи.

В 1957 году восемь ключевых сотрудников, среди которых были Гордон Мур и Роберт Нойс, ушли от Шокли и при поддержке компании Fairchild Camera and Instrument основали Fairchild Semiconductor. Пресса позже назвала их «вероломной восьмёркой», и именно с этой группы фактически началась Кремниевая долина как явление.

В Fairchild Мур возглавил исследовательское подразделение. Команда освоила планарный процесс изготовления транзисторов, а затем перешла к интегральным схемам — устройствам, где несколько транзисторов и соединений между ними формируются на одном кремниевом кристалле. Fairchild быстро стал лидером рынка, но материнская компания забирала прибыль и ограничивала опционы для инженеров. В 1968 году Мур и Нойс ушли снова — на этот раз, чтобы основать собственное дело.

Как появился закон Мура

Статья, прославившая Мура, вышла 19 апреля 1965 года в журнале Electronics под названием «Cramming More Components onto Integrated Circuits». Редакция попросила его спрогнозировать, что ждёт полупроводниковую отрасль в ближайшие десять лет.

Мур взял данные за несколько лет — от первого планарного транзистора 1959 года до новейших микросхем Fairchild — и нанёс на график количество компонентов в самых совершенных чипах каждого года. Линия вышла почти прямой на логарифмической шкале: сложность удваивалась примерно ежегодно, а себестоимость компонента при этом падала. Он осторожно экстраполировал этот тренд на десятилетие вперёд и предположил, что к 1975 году на одной микросхеме может поместиться 65 тысяч компонентов. Прогноз сбылся с удивительной точностью.

Важно понимать природу этого «закона». Это не физический закон и не математическая теорема, а эмпирическое наблюдение плюс, как позже говорили аналитики, самосбывающееся пророчество. Индустрия начала планировать разработку новых техпроцессов так, чтобы соответствовать графику Мура: дорожные карты производителей, ожидания клиентов и циклы обновления продукции синхронизировались вокруг этого ритма.

В 1975 году Мур пересмотрел формулировку: удвоение стало происходить примерно раз в два года. Именно эта версия закрепилась в массовом сознании. Распространённое утверждение «производительность удваивается каждые 18 месяцев» — популярное упрощение, которое смешивает количество транзисторов с быстродействием процессоров.

Суть закона Мура можно свести к трём практическим следствиям:

• вычислительная мощность за те же деньги стремительно растёт;
• устройства миниатюризируются, потому что больше транзисторов помещается на той же площади;
• энергопотребление на одну операцию падает, что делает возможными портативные устройства.

Основание Intel

В июле 1968 года Мур и Нойс зарегистрировали компанию NM Electronics, которую вскоре переименовали в Intel — от «integrated electronics». Стартовый капитал составил 2,5 миллиона долларов, собранных за считанные дни: репутации основателей хватило, чтобы венчурный капиталист Артур Рок привлёк деньги одним кругом телефонных звонков. Вскоре к ним присоединился Энди Гроув, ставший третьим сотрудником и впоследствии легендарным CEO.

Первое направление бизнеса — полупроводниковая память. Intel выпустила микросхемы SRAM и DRAM, которые постепенно вытеснили дорогую память на магнитных сердечниках. Но настоящий перелом произошёл в 1971 году, когда инженерная команда во главе с Федерико Фаджином создала Intel 4004 — первый коммерчески доступный микропроцессор, то есть полноценный центральный процессор на одном чипе. Он содержал около 2300 транзисторов.

Роли внутри тройки распределились естественно. Нойс был лицом и вдохновителем компании, Гроув — жёстким операционным менеджером, а Мур — стратегом и технологическим компасом. Он занимал должности исполнительного вице-президента, затем президента, CEO (с 1975 года) и председателя совета директоров, пока в 1997 году не перешёл в статус почётного председателя.

В 1980-х, когда японские производители начали демпинговать на рынке памяти, Intel приняла болезненное решение уйти из бизнеса DRAM и сосредоточиться на микропроцессорах. Этот поворот, осуществлённый при участии Мура, определил судьбу компании: процессоры архитектуры x86 стали стандартом персональных компьютеров, а Intel — крупнейшим производителем полупроводников в мире на многие годы.

Почему закон Мура работал так долго

Прогноз 1965 года должен был сбиться уже через несколько лет — по крайней мере так считало немало скептиков. Вместо этого он продержался более полувека. Для этого были конкретные причины.

Во-первых, миниатюризация давала двойную выгоду: меньшие транзисторы были не только многочисленнее, но и быстрее и экономичнее. Во-вторых, стоимость производственного оборудования росла, но стоимость одного транзистора стабильно падала, что оправдывало инвестиции. В-третьих, существовал стабильный спрос: компьютеры, затем персональные компьютеры, затем смартфоны и облачные дата-центры — каждое поколение рынка требовало больше вычислений.

Динамику хорошо видно в цифрах:

За полвека количество транзисторов на чипе выросло примерно в десятки миллионов раз. Ни одна другая отрасль в человеческой истории не демонстрировала подобного темпа совершенствования базовой технологии.

Действует ли закон Мура до сих пор

Сам Мур никогда не считал свой закон вечным. Ещё в 2005 году он говорил, что любая экспонента, построенная на физических явлениях, рано или поздно упрётся в предел. Этот предел приблизился: транзисторы уменьшились до масштабов, где размеры ключевых элементов измеряются десятками атомов, и начинают доминировать квантовые эффекты.

Современные трудности имеют несколько измерений. Экономическое: стоимость завода нового поколения достигает десятков миллиардов долларов, и количество компаний, способных строить такие фабрики, сократилось до считанных единиц. Физическое: утечки тока и тепловыделение выросли настолько, что тактовые частоты процессоров практически перестали расти ещё в середине 2000-х. Технологическое: для печати мельчайших структур потребовалась сверхсложная литография в глубоком ультрафиолете.

В то же время индустрия научилась обходить предел. Вместо простого удвоения транзисторов применяют многоядерные архитектуры, трёхмерные транзисторы (FinFET и более новые структуры), 3D-упаковку чипов, чиплеты и специализированные ускорители для искусственного интеллекта. Плотность вычислений продолжает расти, хотя и не буквально по графику 1975 года. Поэтому корректный ответ таков: закон Мура в первоначальной форме завершился или завершается, но его наследие — культура планомерного, предсказуемого прогресса — никуда не исчезла.

Благотворительность и личная жизнь

Состояние Мура, полученное от Intel, оценивалось в миллиарды долларов, но образ жизни он вёл на удивление скромный: тот же дом, рыбалка как главное хобби, отсутствие публичной роскоши. В 2000 году он вместе с женой Бетти основал Gordon and Betty Moore Foundation, наделив фонд акциями Intel на несколько миллиардов долларов. Фонд финансирует научные исследования, охрану окружающей среды (в частности экосистемы Амазонии и Тихого океана) и проекты в области медсестринского дела.

Отдельного упоминания заслуживают его пожертвования Caltech — в сотни миллионов долларов, одни из крупнейших в истории американских университетов. Мур говорил, что наука дала ему всё, и он просто возвращает долг.

Среди его наград — Национальная медаль технологий и инноваций (1990) и Президентская медаль Свободы (2002), высшая гражданская награда США. Гордон Мур умер 24 марта 2023 года в возрасте 94 лет в своём доме на Гавайях.

Что наследие Мура означает сегодня

Биография Гордона Мура интересна не только как история бизнеса. Это редкий пример того, как академический учёный превратил точное наблюдение в управленческий инструмент целой индустрии. Несколько уроков из его пути остаются актуальными:

• простой измеримый тренд ценнее сложной теории, если его можно проверять ежеквартально;
• технологическое преимущество выигрывает только в сочетании с дисциплиной производства — Мур всегда настаивал, что Intel продаёт не идеи, а кремний, который можно изготовить миллионами копий;
• циничный взгляд на себя помогает: Мур регулярно публично объявлял свой закон «мёртвым» — и тем самым заставлял индустрию доказывать обратное.

Частые вопросы

Что именно создал Gordon Moore?

Он соосновал Fairchild Semiconductor и Intel, руководил разработкой полупроводниковой памяти и участвовал в создании индустрии микропроцессоров. Его самый известный интеллектуальный вклад — закон Мура, сформулированный в статье 1965 года.

Как работает закон Мура?

Количество транзисторов, которые экономически выгодно размещать на микросхеме, удваивается примерно каждые два года. За счёт этого вычислительная мощность за ту же цену стабильно растёт, а устройства становятся компактнее и энергоэффективнее.

Кто придумал название «закон Мура»?

Не сам Мур — он долго избегал этого термина. Название популяризировали коллеги-учёные, в частности профессор Калифорнийского технологического института Карвер Мид, и журналисты в начале 1970-х.

Какая компания связана с Gordon Moore?

Прежде всего Intel, которую он соосновал в 1968 году вместе с Робертом Нойсом и которой руководил на ключевых должностях почти тридцать лет.

Действует ли закон Мура сейчас?

В буквальном виде темп удвоения транзисторов замедлился из-за физических и экономических пределов. Но прогресс вычислительной техники продолжается за счёт новых архитектур, 3D-упаковки и специализированных чипов.