Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Introduzione alla microtecnologia/La legge di Moore
Nel 1965, Gordon Moore, uno dei fondatori della Fairchild Semiconductor Company e in seguito della Intel Corporation, azzardò una previsione sullo sviluppo futuro dell’elettronica integrata che va nota sotto il nome di “legge di Moore” e che sorprendentemente avrebbe dovuto mostrarsi corretta per i quaranta anni seguenti e ancora oltre.
Nella formulazione originaria, Moore dapprima argomenta che, per una data tecnologia, aumentando il numero di componenti per chip il costo diminuisce, fino a quando pero’ la crescente complessità del sistema non fa lievitare i costi; esisterà quindi una certa densità di impaccamento dei componenti su chip che garantisce il costo minimo.
| Microprocessore | Anno di introduzione | n. Transistors | Clock |
|---|---|---|---|
| 4004 | 1971 | 2250 | 740 kHz |
| 8080 | 1974 | 4.500 | 2 MHz |
| 8086 | 1978 | 29 k | 5 MHz |
| FOCUS | 1982 | 450 k | 18 MHz |
| SPARC | 1986 | 800 k | 40 MHz |
| Pentium | 1993 | 3.1 M | 66 MHz |
| Pentium II | 1997 | 7.5 M | 300 MHz |
| Athlon | 1999 | 22 M | 1 GHz |
| Opteron | 2003 | 106 M | 2.4 GHz |
| Core 2 | 2006 | 291 M | 2.6 GHz |
| Xeon | 2010 | 2.3 G | 2.6 GHz |
| zEC | 2012 | 2.75 G | 5.5 GHz |
| z13 | 2015 | 4 G | 5 GHz |
| z15 | 2019 | 9.2 G | 5.2 GHz |
Sulla base dei dati dei primi anni di sviluppo, Moore prevede un costante avanzamento tecnologico, che porterà all’aumento della densità ottimale. Graficando i dati disponibili all’epoca, Moore argomenta poi che la curva di fit si possa estrapolare, portando alla seguente previsione: il numero di componenti di minimo costo che trovano posto su un singolo chip si raddoppia circa ogni anno. Questa è la formulazione originaria di quella che poi divenne celebre come Legge di Moore.
La legge di Moore non è affatto una legge, ma solo un’osservazione empirica; tuttavia è straordinario come l’intuizione di Moore sia riuscita a prevedere correttamente lo sviluppo tecnologico nei successivi 40 anni e più.
La tabella a lato mostra l'aumento del numero di componenti per chip e la velocità (clock) dei microprocessori nel corso degli anni, fino ai giorni nostri: il tasso di crescita attuale è di un raddoppio del numero di componenti per chip ogni 18 mesi circa. Dal dato del 1965 (50 componenti per chip) siamo oggi arrivati ad un numero di componenti dell’ordine di qualche miliardo.
Il clock sembra stabilizzarsi negli ultimi anni, ma l'introduzione di multi-core velocizza in maniera differente le operazioni di calcolo e praticamente incrementa la potenza di calcolo.
La legge di Moore può essere estesa a vari altri aspetti importanti per la fabbricazione di circuiti integrati. Come prima cosa, il raddoppio della densità dei componenti su chip implica che l’estensione superficiale dei componenti stessi diminuisca corrispondentemente di un fattore due ogni 18 mesi, ovvero il più piccolo particolare realizzabile diventi di 0.7 volte più piccolo ogni 18 mesi; ogni passaggio di scala rappresenta una diversa generazione tecnologica, denominata “nodo tecnologico”. Questa denominazione è stata molto usata nel passato per dare un riferimento chiaro e rappresentativo dello stato dell’arte della tecnologia. La dimensione tipica da considerare come riferimento per definire un nodo tecnologico è la metà della distanza fra celle vicine in un chip contenente memoria DRAM (“DRAM half-pitch”). Il grafico mostra come si sia passati dai vari micron degli anni 80 a poche decine di nm. Attualmente, 2024, è previsto che il nodo tecnologico sia di 2 nm, ma tale numero non è collegato alle dimensioni fisiche dei dispositivi, infatti per tale nodo la distanza tra due strisce metalliche sarà di 20 nm, mentre le distanze tra i gate saranno di 45 nm.
La comunità degli esperti di dispositivi semiconduttori pubblica annualmente un report sullo stato dell'arte e sulle prospettive di sviluppo del settore, l'International Technology Roadmap for Semiconductors ([1]). Oltre a densità di componenti e dimensione minima, la legge di Moore può essere tradotta in previsioni per altre grandezze interessanti: il costo per elemento, la potenza necessaria, la compattezza dei dispositivi finali e così via. Ritorneremo sulla legge di Moore più avanti, una volta discusse le varie tecniche di fabbricazione, per vedere in che modo si sia potuto passare da una generazione tecnologica all’altra. Finora tutte le previsioni tecnologiche sono state mantenute.