Is het einde van de wet van Moore in zicht?

De stelling dat computerkracht elke twee jaar verdubbelt, komt steeds meer onder druk te staan. Maar is deze Wet van (Gordon) Moore nu echt dood, of kan hij nog even in leven worden gehouden?

‘'In Silicon Valley beginnen pitches van startups tegenwoordig steevast met de zin ‘Nu Moore's Law dood is’…. Maar ik ben er zelf nog niet zo van overtuigd”. Dat stelt Uri Frank, verantwoordelijk voor duurzaamheid in de datacenters van Google. Niet effectief dood, maar wel aan het vertragen, voegt Frank eraan toe. Het al dan niet ‘overlijden’ van de wet van Moore is al jaren voer voor een discussie die nu actueler is dan ooit, in tijden van wereldwijde chiptekorten.

De wet van Moore uit 1965 is één van de basisregels die de technologische vooruitgang de voorbije halve eeuw stuurde. Hij stelt dat het aantal transistors in een geïntegreerde schakeling elke twee jaar verdubbelt. Daarmee gepaard groeien idealiter ook snelheid en rekenkracht van computersystemen, terwijl de prijzen voor die chips naar beneden gaan. In zijn originele stelling schreef Gordon Moore, een van de oprichters van Intel, trouwens dat het aantal transistors elk jaar zou verdubbelen. Hij paste dat later aan naar twee jaar.

Overal muren

Misschien wordt het tijd de wet opnieuw bij te stellen. Toen Moore zijn observatie maakte, stonden er 64 transistors op een chip, nu zijn dat er ruim 100 miljard. Nieuwe generaties van chips werken met nodes van 7 tot zelfs 5 nanometer. Natuurkundige limieten beperken verdere verkleining. Het ontwikkelen van chips en architecturen op die schaal is bovendien erg duur en vooruitgang richting nieuwe technologieën kan lang duren.

De chipindustrie is echter nog niet van plan om het principe binnen afzienbare tijd te begraven. ”Moore's law kan en mag niet stoppen”, stelde Luc Van den Hove, CEO van imec, op de Future Summit-conferentie in Antwerpen midden mei. “We hebben nog altijd de werkkracht en complexiteit nodig die nieuwere, kleinere en goedkopere chips kunnen brengen.”Imec is een van de grotere ontwikkelaars van nieuwe chiptechnologie in Europa.

Van den Hove ziet wel dat we de grenzen naderen van wat we met de huidige technologie voor lithografie (nodig om de chips te maken) kunnen doen. “We zien ook dat het toenemen van 'performance' in nieuwe toestellen aan het vertragen is. Er is een 'memory wall' die we moeten oplossen, waarbij de connectie tussen het geheugen en het systeem niet meer kan bijbenen met de snelheid van het systeem zelf. Ook een 'power wall' moet opgelost worden: we hebben nieuwe koelingssystemen nodig om de hitte uit onze chips weg te krijgen.”

Met onder meer nieuwe materialen voor chips en nieuwe vormen van lithografie moet er echter wel een oplossing komen, meent Van den Hove. “'De roadmap kreeg daar een boost met de ontwikkeling van EUV (extreme ultra-violet, waarbij de buitenste bandbreedte van ultraviolet licht wordt gebruikt met golflengtes van 13,5 nm, nvdr.). Nu hebben we een volgende versie daarvan nodig om chips van kleiner dan 2 nanometer te maken.”Ook nieuwe transistorarchitecturen moeten vooruitgang bieden. Zoals ontwerpen waarbij meerdere lagen op elkaar liggen in een 'stack', in plaats van naast elkaar, om plaats te sparen.

Duurzaamheidsprobleem

Nog zo'n 'muur' vormt het fenomeen duurzaamheid. “Het bouwen van halfgeleiders heeft een stevige CO2-voetafdruk”, aldus Van den Hove. “We moeten daar rekening mee houden bij het ontwikkelen. Onder meer de elektriciteit en het water die nodig zijn om halfgeleiders te bouwen, moeten naar beneden. Om dat voor mekaar te krijgen moet je die verschillende deep tech ecosystemen samenbrengen.”

Eén manier om het ecosysteem samen te brengen is het semiverse - niet te verwarren met het metaverse. “Halfgeleiders zullen de kern uitmaken van zowat alle oplossingen die we voor de klimaatverandering kunnen vinden”, zegt Tim Archer, CEO van Lam Research hierover. Om die halfgeleiders te kunnen blijven ontwikkelen en vernieuwen, is volgens Archer het genoemde semiverse nodig, een hybride tussen een fysiek en virtuele omgeving waar testen en ontwikkeling kan gebeuren door mensen en machines.

Het idee hierbij is dat één laboratorium of bedrijf niet in zijn eentje oplossingen kan vinden voor de uitdagingen waar we momenteel voor staan. Dat kan beter met een samenwerkingsplatform op niveau van het hele ecosysteem, met 'digital twins' van de laboratoria en testomgevingen die nu al gebruikt worden. Denk bijvoorbeeld aan enkele researchers die in het imec-laboratorium in Gent aan het ontwikkelen zijn, en daar de raad van Amerikaanse collega bij vragen. Die collega kan zonder te moeten reizen in de virtuele versie van dat laboratorium, via een digital twin eigen testen uitvoeren.

Archer: “Zo krijg je brainstorming en conceptvalidatie die er nu niet is. Dat gaat de tijd van de ontwikkelingscyclus sterk inkorten. “De digital twins moeten bovendien mogelijk maken dat nieuwe ideeën en architecturen in een virtuele omgeving worden uitgeprobeerd voordat je er het nodige materiaal voorgaat bouwen in de 'echte' wereld. 'Het uiteindelijke doel is om een volledig virtueel model te bouwen van een lab en een fab.”

Verdubbeling markt

Volgens Gartner groeit de markt voor halfgeleiders voorlopig door, met een verdubbeling in de komende acht jaar. Tegen 2030 zou de chipindustrie tot één biljoen dollar waard zijn, mede door een groeiend aantal afzetmarkten (zoals automotive, IoT, smart devices).

“De wet van Moore is een economische wet”, zegt Peter Wennink, CEO van het Nederlandse ASML. “Het draait om waarde en kost. Wat bedrijven nodig hebben, is de meeste waarde tegen de laagste prijs.” Om dit aan de gang te houden, pleit ook Wennink voor samenwerking in een ecosysteem. “De industrie is zo complex dat het zonder die samenwerking niet zal gaan.”

Het zijn hoe dan ook spannende tijden', schetst Uri Frank van Google tot slot. “Problemen zijn er om te worden opgelost, maar we hebben erg veel innovatie nodig om met de Wet van Moore verder te gaan.”

Dit artikel is tot stand gekomen in samenwerking met Datanews.