"חוק מור", שחזה את קצב העלייה במורכבות הרכיבים האלקטרוניים ואת מגמת מזעורם במשך 51 השנים האחרונות, מתקרב כפי הנראה למגבלותיו הפיזיקליות והכלכליות. האם ניתן לחזות כיצד תתפתח תעשיית המחשוב אחר כך, ומהם כיווני הפיתוח לדורות הבאים של המעבדים?

בתחילת שנות ה-60 היה גורדון מור מנהל המחקר והפיתוח בחברת "פיירצ'יילד סמיקונדקטור", שפיתחה באותה תקופה את המעגל המשולב השטוח הראשון בעולם. בימינו, מעגלים משולבים הם הבסיס לייצור "כרטיסים אלקטרוניים", שאותם ניתן למצוא בכל מחשב אישי, טבלט וסמרטפון, ומכשירים רבים נוספים.

מור התבקש בשנת 1965 על ידי כתב העת "אלקטרוניקה" לצפות את עתיד המחשוב, או יותר נכון, מה יהיה קצב ההתפתחות של מעגלים משולבים בעשר השנים הבאות. ב-19 באפריל 1965 הוא פרסם מאמר בכתב העת, בו צפה שצפיפות הטרנזיסטורים (הרכיבים הבסיסיים של כל יחידת חישוב אלקטרונית) על גבי יחידת שטח של מעבד, תוכפל כל 18–24 חודשים. לפי המאמר של מור, מספר סיבות יניעו את התהליך, וביניהן: ההתקדמות הטכנולוגית שתאפשר הקטנת מימדי הרכיבים ודרישת השוק למעבדים בעלי עוצמה גבוהה יותר, שיתפסו מקום קטן ככל הניתן ויצרכו הספק (כלומר, כוח חשמלי) קטן ככל הניתן.

עשר שנים לאחר פרסום המאמר, ב-1975, התבקש גורדון מור ע"י ה-IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers, ארגון העוסק בקידום המחקר בתחום הנדסת החשמל והאלקטרוניקה, לבחון את נכונות התחזית בשנים שחלפו מאז פרסומה. התברר כי הוא צדק, ואכן קצב הגדילה בדחיסת הטרנזיסטורים ליחידת שטח בפועל היה לפי המגמה שצפה.

בשנים שחלפו מאז, נמשכה ההתקדמות בקירוב לפי התחזית של מור (לימים אחד ממייסדי ענקית המעבדים "אינטל" וחבר הנהלתה). יש שטענו שמדובר בנבואה שהגשימה את עצמה: יצרניות החומרה, בהן אינטל עצמה, ראו עצמן מחויבות לעמידה בו, כחלק מהתמודדות בשוק תחרותי ההולך וגדל, שבו כולם מנסים לעמוד באותם אתגרים כדי לא לפגר אחרי המתחרים. מאז תחילת שנות ה-90, פרסמה תעשיית המוליכים למחצה מדי שנתיים "מפת דרכים" בניסיון לתאם בין פיתוח החומרה מצד אחד לציפיות הצרכנים מצד שני. צרכני החומרה פיתחו בהתמדה יישומי תוכנה מורכבים יותר ויותר ובעלי דרישות ביצועים שהלכו וגדלו, ומתחו ללא הרף את גבולות היכולת של המעבדים הקיימים בכל עת. דרך אגב, במאמר המקורי שלו מור חזה בדיוק רב את ההשלכות של מימוש חוק המזעור הנקרא על שמו: הופעתם של המחשבים הביתיים, מכשירי התקשורת הניידים והמכוניות המופעלות ע"י מחשב, שיוכלו לנסוע ללא נהג.

קצת על מעבדים
המעבד, הנקרא גם Central Processing Unit – CPU, מבוסס על שבבים אלקטרוניים (Microchips), שהם עצמם רשתות של מיליוני עד טריליוני טרנזיסטורים זעירים על גבי מצע שבו מודפסים מעגלים חשמליים המחברים ביניהם. קיום הרשת המורכבת מאפשר את ביצוע הפעולות החישוביות. ישנם סוגים רבים של מעבדים, כולל מעבדי אינטל הנפוצים במחשבים אישיים, ושעיקר פעולתם ביצוע חישובים הנדרשים להפעלת המחשב, מערכת ההפעלה והתוכנות השונות; ישנם מעבדים המתוכננים ליישום או מכשיר מסוימים, כגון הפעלת מצלמה דיגיטלית, מחשב בקרה לרכב, קופה רושמת ועוד. סוג הרכיבים שבמעבד ומבנה הרשת המקשרת שבהם מתוכנן עבור המטרה לה הוא משמש. בהתאם לכך, גם אפשרויות התכנות שלו למטרות שונות (שפות התכנות) ישתנו – השפה היא הדרך ליצור סדרות של הוראות עבור המעבד לצורך קביעת פעולתו במקרים מוגדרים.

המעבד אינו יכול לפעול ללא קשרים עם סביבתו, הנדרשים לשם ביצוע פעולותיו. קשרים אלו נקראים "ממשקים". במחשב האישי, לדוגמה, קיים ממשק משתמש דרך שימוש במקלדת ועכבר לקבלת הוראות ומסך ורמקולים להעברת מידע למשתמש. כמו כן, קיימת תקשורת קווית או אלחוטית (לדוגמה אתרנט) לצורך ממשק שליחת וקבלת נתונים עם רשת תקשורת חיצונית כגון האינטרנט. בגוף המחשב קיימים מעגלי קלט \ פלט (Input / Output) שתפקידם להמיר את המידע הנקלט מן הממשקים כך שהמעבד יוכל להבינו, ולהפך, המרת מידע שהמעבד מייצר, כך שניתן יהיה לשלוח אותו לגורם חיצוני.

ההתפתחות לפי חוק מור אפשרה כמובן לא רק את הגדלת מספר הפעולות שמעבד יכול לבצע ביחידת זמן נתונה, אלא גם את מורכבותן, ובנוסף את כמות הממשקים החיצוניים שמעבד אחד יכול לטפל בהם. לדוגמה מעבד בן זמננו המשמש לבקרה של מצלמות אבטחה יכול לקלוט אותות ממספר מצלמות גדול יותר מאשר קודמו לפני מספר שנים, ולבצע עליהם במקביל פעולות עיבוד תמונה שבעבר נדרשו להן מספר מעבדים.

מגבלות החוק
המשך המזעור של הרכיבים צפוי להיתקל בסופו של דבר במספר מגבלות פיזיקליות, הראשונה שבהן היא היכולת לפיזור עודפי החום. ברמת הצפיפות הגבוהה של רכיבים ליחידת שטח (כיום המעבדים המתקדמים ביותר כוללים רכיבים שגודלם כ-14 נאנומטר) צריכת ההספק של כל מעבד, וכתוצאה מכך החום שהוא פולט, הולכים ועולים. את החום הזה נדרש לפזר אל מחוץ למחשב בדרך כלשהי כדי שלא יגרם נזק למרכיביו – ומנגנוני פיזור החום עצמם הולכים ונהיים מורכבים יותר. מגבלה זו הביאה לכך שב-2004 נאלצו היצרנים להפסיק את ההגדלה ההדרגתית ב"קצב השעון" של המעבד, הקובע את מספר פקודות התוכנה שביכולתו לבצע ביחידת זמן. ככל שגדל קצב השעון, עלה ההספק החשמלי שצרכו המעבדים עד לנקודה שבה לא ניתן היה לפזר את עודפי החום הנוצרים, ולכן יצרני המעבדים עצרו במהירויות אליהן הגיעו ב-2004.

המגבלה השנייה נובעת מן המימדים הזעירים של הרכיבים עצמם. פאולו גרג'יני, ראש הצוות העורך את "מפת הדרכים" של איגוד תעשיות המוליכים למחצה בארה"ב, סבור שבמאמץ רב ניתן יהיה להגיע בתחילת שנות ה-2020 לרכיבים שגודלם 2-3 נאנומטר, שהוא לא יותר מ-10 אטומים. בגודל זה, התנהגות האלקטרונים הנעים במוליכים הזעירים תקבע בעיקר לפי מכניקת הקוונטים – ולכן לא תהיה קבועה, ומכאן שהרכיבים לא יהיו בעלי רמת אמינות מספקת מבחינת הביצועים שיספקו לתוכנה.

אולם עוד לפני הגעה למגבלות הפיזיקליות, יתכן שהפיתוח לפי חוק מור יגיע למגבלה כלכלית. ככל שהרכיבים נדרשים להיות זעירים יותר, הטכנולוגיה הנדרשת ליצורם תהיה מורכבת ויקרה יותר. שיטת היצור בימינו נקראת פוטוליתוגרפיה, שבה חושפים תבנית מדויקת של משטח חומר הגלם ליצור מעגלים לאור בתחום העל סגול הצורב אותה בצורה הרצויה. כאשר סקלת הגודל של הרכיבים מוקטנת פי שתיים, יש להקים קו יצור חדש מצויד במכונות מדויקות יותר. המדובר בהשקעה של מיליארדי דולרים, שרק חברות גדולות מעטות (כדוגמת אינטל, מוטורולה, סמסונג ועוד כמה) מסוגלות לעמוד בה. בתקופה שבה חלק גדול מן הרכיבים מיועד עבור מכשירים ניידים, שמחירם אמור להיות מתאים לצרכן פרטי, יתכן שמתקרב המועד שבו לא ניתן יהיה להרוויח ממכירת דור חדש של רכיבים זעירים – וכאן תעצר מגמת המזעור.

העולם שאחרי חוק מור
"מפת הדרכים" של פיתוח המעבדים שתתפרסם השנה אמורה להיות שונה מקודמותיה בכך שלא תנוסח לפי עקרונות חוק מור, כלומר לא תציב יעד מוגדר לפיתוח מעבדים הנגזר ממנו, אלא תבחן את צרכי התוכנה הצפויים במחשבים שונים ובמכשירים ניידים, האמורים לתפוס נתח גדול יותר ויותר בשוק המעבדים. ההערכה של יצרני הרכיבים והמחשוב היא שההתקדמות בתחום לא תיעצר, אלא תמשך בדרכים אחרות.
במשך השנים נבחנו ואף יושמו מספר פתרונות לעקיפת מגבלות המזעור. אחת הנפוצות בהן היא ריבוי הליבות במעבד אחד: למעשה, מרבית המעבדים במחשבים החדשים בימינו מחולקים לשניים, ארבעה ולעתים שמונה "תת מעבדים", הם הליבות. אם ניתן לפצל תהליך חישובי למספר חלקים שאפשר לבצע במקביל, אז למעבד מרובה ליבות יש יכולת להגיע לביצועים של מעבד תיאורטי אחד בעל קצב שעון גדול פי כמה. אלא שלא כל אלגוריתם ניתן לפיצול למספר חלקים מקביליים, ולכן גם פתרון זה מוגבל.

טכנולוגיות נוספות שנחקרות בשנים האחרונות כוללות גישות מתקדמות ביותר, ביניהן: מחשב קוונטי, העושה שימוש ביחידת הקיוביט, שיכולה להיות בסופרפוזיציה של מצבים ולא רק אחד, ומכאן ניתן להגיע לעיבוד מקבילי בקצב עצום; מעבד נוירומורפי, שמיועד לדמות את דרך הפעולה של תאי המוח, וגם ליצור רשת בעלת מורכבות וחוקיות דומה; כדי לפתור את בעיית פיזור החום הנוצרת בצפיפות גבוהה, נחקר שימוש במספר חומרים חליפיים, כגון גרפן, שמעגלים המיוצרים ממנו אמורים לצרוך הספק נמוך מאוד, או חומרים ספינטרוניים, שברכיבים הכוללים אותם מיתוג המצבים יעשה לפי שינוי תכונת האלקטרון הנקראת "ספין" ולא על ידי זרם חשמלי. אולם, כל הטכנולוגיות הללו נמצאות עדיין במחקר ולא הופעלו מחוץ למעבדות, והן עדיין רחוקות מאוד ממימוש מסחרי נפוץ וגמיש כמו מעבדי הסיליקון. מעבר לכך, שיטות אלו יחייבו כנראה מהפך בפיתוח התוכנה שתידרש להפעלת מעבדים המבוססים עליהן, שהיקפה לא ברור.

הדרישה העיקרית מן המעבדים בעתיד הקרוב היא בעיקר לתמיכה במחשוב נייד, הנדרש להיות חסכוני באנרגיה (כיוון שהוא ניזון מסוללות, כמו במכשיר סלולרי), ומצד שני תומך במגוון של ממשקים: רשת סלולרית, WiFi, Bluetooth, GPS, חיישני תאוצה ושדה מגנטי, זיהוי קול ומראה וגם לאחרונה טביעות אצבע, ובנוסף הצגת וידאו וקליטת ושליחת קול – וכל זה במימדים של מכשיר נייד. כדי לעמוד בצרכים אלה, אחת השיטות שפותחה היא שימוש במשאבי "ענן", שבה פעולות העיבוד הכבדות נעשות במחשב מרוחק, המשמש כשרת. גם היא איננה קלה למימוש, אבל מהיבט אחר: היא מחייבת "רוחב פס" גדול מכל מה שהיה עד עתה בשימוש, להעברת נפחי נתונים של משתמשים רבים, וגם שיטת אבטחת מידע מורכבת.

ככל הנראה, בסוף העשור הנוכחי ובתחילת העשור הבא תראה האטה בקצב שכלול המחשבים והמכשירים הניידים. מגמת הפיתוח לא תיעצר, אבל היא תהיה פחות ניתנת לחיזוי, וככל הנראה כבר לא יהיה תמיד כדאי לחכות לדור הבא של המכשירים שיצא לשוק "עוד מעט" כי הוא לא בהכרח יהיה מהיר יותר. יתכן שהוא יהיה חסכוני יותר באנרגיה, או בעל רוחב פס גדול יותר, או שיהיה משולב עם חיישנים מסוג שלא כלל בעבר (כמו לדוגמה בפריטים לבישים שונים). גם שילוב אפשרי כלשהו של טכנולוגיות מתקדמות ביותר כמו שציינו הוא אפשרי. בכל מקרה, למהנדסי הפיתוח של החומרה וליצרנים עוד יהיו אתגרים רבים.

מקורות והרחבות

The chips are down for Moore’s law [1]

[2] חוק מור

[3] CPU

[4] The Multiple Lives of Moore’s Law

[5] Moore's Law Keeps Going, Defying Expectations

[6] This is what the future holds as Moore's Law turns 50

[7] Smaller, Faster, Cheaper, Over: The Future of Computer Chips

[8] How Moore's Law Works

[9] Simpler, More Efficient Design