Vid slutet för Moores lag

Vad är Moores lag? Det är lagen om att antalet transistorer som får plats på en yta kan dubbleras varannat år. När storleken på transistorna minskar sjunker även strömförbrukningen. I praktiken betyder detta att man kan fördubbla minneskapacitet eller prestanda varannat år, utan att förändra kostnaden. Är man inte ute efter högre prestanda eller kapacitet kan man istället sänka kostnaderna och strömförbrukningen.

Exempel där Moores lag utnyttjas till att öka prestanda är allt från minneskretsar till processorer, grafikkort och minnen. Men det finns även bra exempel på när man vill lämna prestandan oförändrad och sänka strömförbrukning och kostnad. Exempelvis spelkonsoler, routrar och mediaspelare.

Genom åren har slutet för Moores lag nämnts många gånger, men tillverkarna har alltid hittat nya lösningar på problemen. På senare år har vi böjrat närma oss de fysiska gränserna för hur små transistorer som går att tillverka. Bredden på de elektriska ledarna är redan i dag, endast ett antal atomer breda och enligt Intel går det inte att använda en bredd bestående av mindre än fem atomer på grund av elektriska läckage. Men det viktiga är egentligen inte huruvida den fysiska begränsningen är fyra eller fem atomer, utan att den finns och det kommer bli ett praktiskt problem inom bara ett par år.

Varför måste vi förminska transistorerna?
När man tillverkar en elektronisk komponent görs detta från en rund kiselplatta. När tillverkningen är klar, skärs komponenterna loss från plattan, testas och säljs. En förminskning innebär inte bara saker som bättre prestanda eller strömförbrukning utan även att man får plats med fler kretsar per kiselplatta.

Okej, så tillverkaren tjänar mer på små komponenter, skulle man inte kunna betala det dubbla och få en dubbelt så stor komponent bara? Nej, det finns flera skäl till att det blir mycket dyrare än så. Framförallt är det att tillverkningsprocessen inte är perfekt. Chansen att lyckas tillverka en komponent är lägre ju större den är. Inom tillverkningen referar man till detta som yield. Yielden styrs på flera sätt av komponentens storlek.

Om sannolikheten att en komponent går att tillverka är 80%, är sannolikheten för att en dubbelt så stor komponent ska kunna tillverkas endast 64% (0.8*0.8). I praktiken är den ännu lägre eftersom sannolikheten sjunker ju längre ut på kiselplattan man kommer. Större kretsar resulterar också i mer spillyta på den runda kiselplattan, eftersom kretsarna är kvadratiska eller rektangulära.

När prestandan inte längre ökar
Man brukar säga att hårdvara är billigare än utvecklare. Programvara som är för långsam för att fungera i dag, går att köra fintinom ett par månader. Det är bättre att uppgradera hårdvaruparken än att lägga mantimmar på att optimera mjukvaran.

Det här är något som utnyttjats av utvecklare och bolag som jobbar med mjukvara, för att de ska kunna hålla sina kostnader nere. Om prestandaökningen stannar av kommer mjukvaruutveckling bli dyrare, eftersom mer tid måste läggas på optimering.

För slutkonsumenten kanske detta inte är ett stort problem, mindre pengar att lägga på hårdvara och mer pengar på mjukvara. Däremot kan det bli stora förändringar i hur man arbetar vid utveckling av programvara och spel.

Behovet av högre kvalité
De flesta datorprodukter håller har en kort i dagsläget en relativt kort livslängd på ett par år. När en produkt går sönder har den oftast inget värde kvar och en ersättningsprodukt presterar bättre trots att den är billigare än ursprungskomponenten.

När Moores lag sätts ur spel kommer inte ersättningsprodukten att vara markant bättre eller billigare. Detta kan öka behovet av kvalitetskomponenter.

Ökad kvalité på en produkt involverar givetvis bättre kvalitetskontroll och elektriska komponenter men även en avvägning mot lägre prestanda. Hög prestanda betyder oftast hög värme, och en sänkning med bara 10c kan fördubbla livslängden på många elektriska komponenter. Det kommer alltså bli dyrare och troligtvis långsammare om man vill ha elektronik med lång livslängd.

Pris och prestanda för sluten konsumentelektronik
Teknikbranschens förväntningar på exponentiell tillväxt av transistorer skiljer sig inte mycket från ekonomernas förväntningar av exponentiell tillväxt i ekonomin. Det är inte bara en fråga om tekniska framsteg utan också om förväntade framsteg.

Jag kommer använda spelkonsoler som exempel, principen är dock samma för routrar, bluray-spelare och den mesta slutna hemelektronik.

Spelkonsoler har vanligtvis en livslängd på 6-10 år. När tillverkaren säljer de första modellerna går dessa med förlust. Detta är strategiskt eftersom man vet att krympningen av transistorer kommer sänka priset tills maskinen börjar gå med vinst. Att börja med förlust gör att man kan leverera en maskin med högre prestanda och lång livslängd på marknaden. Att tillverkaren bryr sig om livslängd i det här sammanhanget handlar främst om utvecklingskostnader men även mervärde för slutanvändaren.

Utan Moores lag skulle inte priserna sjunka, tillverkare skulle bli tvungna att sätta en prissättning som går med vinst från början. Att som konsument vänta tills en produkt sjunkit i pris blir inte heller möjligt, då priser kommer hålla sig stabila över tid.

För att konkretisera med ett exempel:
När Playstation 3 lanserades låg introduktionspriset på 6000kr och då gick Sony med över 2000kr förlust per enhet. I dagsläget går det att få en maskin för dryga 2000kr. Hade vi inte haft Moores lag hade alltså en Playstation 3 kostat dryga 8000kr, fortfarande, fem år efter lansering.

Låt oss vara klara med ett par saker, det är inte samma kunder som betalar 6000kr och 2000kr. I praktiken skulle detta tvinga tillverkare att sikta på den breda massan och sälja maskiner till vinstpris från början istället för att rikta sig mot ett spann av användare.

Vad kan man göra åt problemet?
Rent tekniskt diskuteras det att börja bygga transistorer på höjden och inte bara fokusera på att bygga i bredd som tidigare. Detta ger givetvis fler transistorer per yta, men till högre energiförbrukning istället för lägre som tidigare. För att ytterligare förvärra problemet är inte värme det största problemet för elektriska kretsar, utan värmeskillnader över kretsen. Värmeskillnader sträcker och drar i alla mikroskopiska ledare och sliter långsamt ut dem. En tjockare krets med högre strömförbrukning är därför inte helt önskvärt. Fast det går alltid att byta bort hög frekvens mot lägre strömförbrukning.

Specialanpassad hårdvara. Oftast kallar man det för hårdvaruaccelering, processorn avlastas från att utföra ett arbete av en krets som är specialgjord för ändamålet. En lösning på prestandaproblemet skulle kunna vara mer specialanpassad hjälpprocessorer för olika arbetsuppgifter.

Centraliserad prestanda och kapacitet. Ett sätt att öka effektiviteten är att centralisera beräkning och lagring. Det gör att processorcykler och lagringsutrymme kan användas mer effektivt. Tänk bara hur många timmar varje dag som din processor går på lågvarv. Hur många gigabyte ledigt utrymme det blir om man slår ihop alla arbetsstationer på en arbetsplats.

Mjukvarumässigt finns det också mycket slack, eftersom hårdvara anses vara billigare än programmerare och mantimmar. För slutkonsumenten spelar det kanske inte så stor roll om mjukvaran är dyrare i fall hårdvaran får längre livslängd. Tyvärr är mycket av detta slack mer i form av att Word startar långsamt än att ett vetenskapligt program har långsamma beräkningar.

Lagringsmässigt så har kompression av video, bilder, ljud förbättrats över åren. Vi får alltså ut mer och mer information per bit av data. Tyvärr sker inte framsteg inom kompression i alls samma hastighet som Moores lag. Dessutom ökar vi våra krav, vilket lett till större filstorlek, trots bättre algoritmer.

Slutsats
Slutet på Moores lag ligger inte många år bort och det kommer göra en hel del omställningar i branschen. Om ingen alternativ tillverkningsprocess uppfinns, kommer troligtvis vår syn på elektronik, mjukvara, prestanda och pris förändras radikalt.

Mer läsning:
techreport: Life after Moore's Law