Định luật Moore là gì: Gordon Moore dự đoán gì năm 1965 và sửa năm 1975

Định luật Moore là nhận xét của Gordon Moore rằng số linh kiện (về sau chủ yếu là bóng bán dẫn) nhét được trên một con chip tăng gấp đôi sau một khoảng thời gian đều đặn. Năm 1965 ông nói "gấp đôi mỗi năm", năm 1975 ông sửa thành "gấp đôi mỗi hai năm". Đây không phải định luật vật lý mà là một quan sát về nhịp tiến của ngành bán dẫn, và chính ngành này đã biến nó thành mục tiêu phải đuổi theo suốt nửa thế kỷ.

Bài báo bốn trang năm 1965

Tháng 4 năm 1965, tạp chí Electronics mời Gordon Moore, khi ấy phụ trách nghiên cứu ở hãng Fairchild Semiconductor, viết về tương lai của mạch tích hợp trong mười năm tới. Bài của ông có cái tên khá dân dã: Cramming more components onto integrated circuits, tạm dịch "Nhồi thêm linh kiện lên mạch tích hợp".

Lúc đó mạch tích hợp mới ra đời được vài năm. Con chip phức tạp nhất chỉ chứa khoảng vài chục linh kiện. Moore có trong tay rất ít điểm dữ liệu, chỉ vài con chip từ 1959 đến 1965. Ông chấm chúng lên giấy kẻ có trục đứng là thang logarit và thấy chúng nằm gần một đường thẳng: cứ mỗi năm, số linh kiện trên con chip "rẻ nhất tính theo mỗi linh kiện" lại gấp đôi.

Ông kéo đường thẳng ấy tới năm 1975 và dự đoán khi đó một con chip sẽ chứa khoảng 65.000 linh kiện. Đó là một phép ngoại suy táo bạo: từ vài chục lên vài chục nghìn, tức gấp hàng nghìn lần, chỉ dựa trên năm sáu chấm.

Điều ít người để ý là bài báo không chỉ nói về số linh kiện. Moore còn đoán mạch tích hợp sẽ đưa tới máy tính gia đình (hoặc ít nhất là thiết bị đầu cuối nối với máy tính trung tâm), bộ điều khiển tự động cho ô tô và thiết bị liên lạc cá nhân cầm tay. Năm 1965, cả ba thứ đều nghe như khoa học viễn tưởng.

Chữ "rẻ nhất" quan trọng hơn người ta tưởng

Moore không nói "chip lớn nhất có thể làm được". Ông nói tới mức độ phức tạp mà ở đó giá mỗi linh kiện thấp nhất. Nhồi ít quá thì chi phí đóng vỏ, kiểm tra chia cho ít linh kiện, mỗi cái đắt. Nhồi nhiều quá thì tỉ lệ chip hỏng tăng vọt, cũng đắt. Có một điểm ngọt ở giữa, và điểm ngọt đó dịch dần lên theo thời gian. Định luật Moore, ở dạng gốc, là một nhận xét về kinh tế sản xuất chứ không chỉ về kỹ thuật.

Năm 1975: sửa thành mỗi hai năm

Năm 1968, Moore cùng Robert Noyce rời Fairchild lập ra Intel. Năm 1975, tại hội nghị IEEE International Electron Devices Meeting, ông nhìn lại dự đoán cũ. Con số 65.000 linh kiện gần như trúng. Nhưng ông cũng thấy một trong những động lực lớn của giai đoạn đầu là "sự khéo léo trong thiết kế mạch", tức xếp linh kiện chặt hơn, sắp cạn. Vì vậy ông hạ nhịp xuống: từ nay về sau, gấp đôi khoảng mỗi hai năm.

Cái tên "định luật Moore" không phải do Moore đặt. Nó thường được gán cho Carver Mead, giáo sư ở Caltech, người dùng cụm từ này vào khoảng đầu thập niên 1970. Bản thân Moore về sau hay nói đùa rằng ông thấy ngượng khi tên mình gắn với một thứ gọi là "định luật".

Con số 18 tháng ở đâu ra

Báo chí hay viết "gấp đôi mỗi 18 tháng". Moore chưa bao giờ nói con số đó. Nó thường được truy về David House, một lãnh đạo của Intel, người ước tính rằng hiệu năng chip (chứ không phải số bóng bán dẫn) gấp đôi khoảng mỗi 18 tháng, vì vừa có thêm bóng bán dẫn vừa chạy nhanh hơn. Ba con số một năm, hai năm, 18 tháng nói về những thứ khác nhau, và việc trộn lẫn chúng là nguồn gốc của nhiều tranh cãi "định luật Moore đúng hay sai".

Năm mươi năm chip lớn lên: một bảng mốc

Số bóng bán dẫn dưới đây là con số do hãng công bố hoặc được trích rộng rãi, làm tròn. Mục đích là thấy được độ dốc, không phải để so từng con chip.

Từ 2.300 lên 114 tỉ là gấp khoảng 50 triệu lần trong 51 năm.

Tự tính: định luật Moore dự đoán bao nhiêu

Đây là phép tính anh chị làm được bằng máy tính bỏ túi. Lấy Intel 4004 năm 1971 làm gốc, 2.300 bóng bán dẫn. Giả sử cứ hai năm gấp đôi.

• Năm 2021 cách 1971 đúng 50 năm, tức 25 lần gấp đôi.
• 2 mũ 25 = 33.554.432, khoảng 33,5 triệu.
• 2.300 × 33,5 triệu ≈ 77 tỉ bóng bán dẫn.

Những con chip lớn nhất quanh năm 2021–2022 có từ vài chục tỉ tới hơn một trăm tỉ bóng bán dẫn. Một đường thẳng vẽ năm 1975 dự đoán đúng bậc độ lớn sau 50 năm. Trong khoa học dự báo, rất ít đường thẳng nào sống lâu được như vậy.

Còn nếu giữ nhịp "mỗi năm" của bản 1965 thì sao? 50 lần gấp đôi là 2 mũ 50 ≈ 1,1 triệu tỉ. Nhân với 2.300 ra một con số khổng lồ, hơn mọi con chip từng làm ra hàng triệu lần. Chính việc Moore chịu sửa dự đoán năm 1975 là lý do định luật của ông còn được nhắc tới.

Vì sao một quan sát lại tự thành sự thật

Có một lý do khiến định luật Moore bền hơn hầu hết các dự đoán công nghệ: ngành bán dẫn dùng nó làm lịch làm việc.

Từ đầu thập niên 1990, các hãng chip, nhà cung cấp máy móc và giới nghiên cứu cùng soạn một bản lộ trình chung, sau này gọi là International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS). Bản lộ trình này đặt mục tiêu cho từng thế hệ: năm nào phải đạt kích thước nào, máy in quang khắc phải phân giải được bao nhiêu. Hãng làm máy biết khách cần gì vào năm nào, hãng làm chip biết đối thủ sẽ có gì. Ai chậm nhịp là mất thị trường.

Nói cách khác, đường thẳng của Moore biến thành một hợp đồng ngầm của cả ngành. Người ta đầu tư hàng tỉ đô la để giữ cho nó đúng. Đây là ví dụ hiếm hoi về một lời tiên tri tự hoàn thành ở quy mô công nghiệp.

Thu nhỏ một lần, được ba thứ

Vì sao thu nhỏ bóng bán dẫn lại hấp dẫn đến thế? Vì một lần thu nhỏ đem lại cùng lúc ba lợi ích:

1. Nhiều hơn: cùng một diện tích chứa được nhiều bóng bán dẫn hơn. Thu nhỏ kích thước mỗi chiều còn khoảng 0,7 lần thì diện tích mỗi bóng còn khoảng 0,5 lần, tức số bóng gấp đôi.
2. Nhanh hơn: bóng nhỏ đóng mở nhanh hơn, tín hiệu đi quãng ngắn hơn.
3. Rẻ hơn mỗi bóng: một tấm wafer silicon gần như tốn cùng chi phí xử lý, nhưng cắt ra được nhiều chức năng hơn.

Con số 0,7 không phải ngẫu nhiên: 0,7 × 0,7 ≈ 0,49. Các thế hệ công nghệ chip xưa nay thường cách nhau đúng hệ số này, kiểu 180 nm, 130 nm, 90 nm, 65 nm, 45 nm. Chia lần lượt từng cặp sẽ thấy mỗi bước gần bằng 0,7.

Những thứ định luật Moore không nói

Vì nổi tiếng quá, "định luật Moore" bị kéo ra dùng cho đủ thứ. Nên nhớ vài ranh giới:

• Không nói về tốc độ xung nhịp. Xung nhịp chip tăng vọt từ vài MHz lên vài GHz trong khoảng 1980–2004, rồi gần như đứng yên quanh 3–5 GHz. Số bóng bán dẫn thì vẫn tăng tiếp.
• Không nói về phần mềm. Có một câu đùa trong giới lập trình gọi là định luật Wirth: phần mềm chậm đi nhanh hơn phần cứng nhanh lên. Máy mạnh gấp nghìn lần không có nghĩa mở một trang web nhanh gấp nghìn lần.
• Không phải quy luật tự nhiên. Nó có thể chậm lại, và thực tế đã chậm lại ở một số khía cạnh. Đó là chủ đề riêng: định luật Moore còn đúng không.
• Không áp được cho mọi công nghệ. Pin, động cơ, máy bay không tăng gấp đôi mỗi hai năm. Pin lithium rẻ dần theo một đường cong khác, chậm hơn nhiều.

Góc nhìn hôm nay: Moore để lại gì

Gordon Moore mất tháng 3 năm 2023, thọ 94 tuổi. Định luật của ông để lại một thói quen tư duy rất đáng học: vẽ dữ liệu trên thang logarit. Trên giấy kẻ thường, một thứ gấp đôi đều đặn trông như đường cong dựng đứng, khó đoán. Trên thang logarit nó là một đường thẳng, và đường thẳng thì ai cũng kéo dài được.

Muốn tự kiểm, anh chị có thể lấy số bóng bán dẫn trong bảng trên, lấy logarit cơ số 2 của từng số (máy tính bỏ túi có nút log, chia log(x) cho log(2)), rồi chấm theo năm. Các chấm sẽ xếp gần thành một hàng, độ dốc khoảng nửa đơn vị mỗi năm, tức gấp đôi mỗi hai năm.

Bài báo gốc năm 1965 được Intel và nhiều thư viện kỹ thuật công bố lại, chỉ vài trang, đọc được trong một buổi tối. Đọc bản gốc sẽ thấy Moore cẩn trọng hơn nhiều so với những gì người ta gán cho ông.