Hoe lang houdt de wet van Moore nog stand?
Op weg naar de TeraHertz

Sinds de introductie van de IBM-PC in 1981 worden we ermee geconfronteerd: de bliksemsnelle veroudering van computers. Wie er een koopt, is na twee jaar in het bezit van 'antieke' technologie. Voornaamste oorzaak zijn de onstuitbare ontwikkelingen op het gebied van de processor, het hart van uw computer. Maar blijft dat ook zo? Een blik op het verleden, heden en de toekomst van de processor.

Computers van vóór het transistortijdperk waren enorme gedrochten. Uit die tijd stamt het begrip computerbug, verzonnen door Grace Hopper. Ze was programmeur aan de Harvard-universiteit. Op een avond in 1947 ontdekte ze een levenloos insect in één van de (gloeiend hete) elektronische schakelingen van de Mark II-computer. Hopper meldde plichtsgetrouw in het logboek dat Mark II niet werkte vanwege een 'bug'. Deze term is een eigen leven gaan leiden en heeft nu vooral betrekking op onverwachte foutmeldingen in software.

De basis voor de huidige processors werd in 1947 gelegd. In het Amerikaanse Bell-laboratorium (tegenwoordig onderdeel van Lucent Technologies) maakten John Bardeen en Walter Brattain een verbinding tussen een stukje germaniumkristal en twee batterijen. De daaropvolgende stroomstoot zorgde voor een versterking van het elektrische signaal met een factor honderd. En dat terwijl er veel minder energie nodig was dan bij radiobuizen, ook wel vacuümbuizen genoemd, waarmee gangbare apparatuur destijds was uitgerust. De kristalschakeling, die vanaf 1948 de naam 'transistor' meekreeg, werd vooralsnog echter niet beschouwd als serieuze concurrent van de radiobuis.

Stroomversnelling
Toepassing in computers zoals we nu kennen is pas mogelijk geworden vanaf 1957. Jack Kilby kwam op het idee om de elektronische transistoren op één stuk halfgeleidermateriaal te bouwen, in plaats van de tot dan toe gebruikelijke ontwerpen, waarbij losstaande componenten aan elkaar werden gesoldeerd. Robert Noyce (één van de oprichters van Intel) bracht twee jaar later met succes een elektronische schakeling met diverse transistoren op een klein plakje silicium aan. Hiermee zag de geïntegreerde schakeling, ofwel de 'chip', het levenslicht. Bovendien verbeterde hij het aanbrengen van de verbindingsdraadjes tussen componenten op het circuit. Vanaf dat moment raakten de ontwikkelingen in een stroomversnelling. Steeds meer transistors werden geïntegreerd op één chip. In 1963 waren het er twintig, in 1965 veertig, en zes jaar later liefst 2300 stuks, op de Intel 4004.

De 4004 van Intel verscheen in 1971 en moet worden beschouwd als de 'moeder aller processors'. Ze werd voornamelijk gebruikt in rekenmachines. Met een kloksnelheid van 108 KHz kon deze processor een geheugen van maximaal 640 bytes aanspreken.

Upgraden of achterblijven
De wetenschapper Gordon Moore (inderdaad, ook afkomstig van Intel) voorspelde 35 jaar geleden dat elke anderhalf tot twee jaar de complexiteit en snelheid van chips zou verdubbelen. Tot op de dag van vandaag blijkt deze wetmatigheid van kracht te zijn, hoewel er regelmatig vraagtekens bij worden geplaatst:

"De Wet van Moore begint aan geldigheid te verliezen. Wetenschappers hebben gewaarschuwd dat de fysieke grens van chiptechnologie bijna is bereikt. Maar eveneens wordt verondersteld dat de wet zichzelf in stand houdt, daar chipfabrikanten aan de hand van die wetmatigheid hun doelstellingen formuleren." (Planet Multimedia, juli 2000)

"De Wet van Moore is een wet van niks. Hij is niet gebaseerd op fatsoenlijk onderzoek. Er zit geen theorie achter. Hij verklaart niets, hij beschrijft alleen. En hij voorspelt altijd hetzelfde: over anderhalf jaar tweemaal zoveel. Je kunt er niets anders mee." (Intermediair, maart 2001)

Er bestaan ook enkele knelpunten die weinig met transistors te maken hebben. Zo is een systeem met een processor van 2 GHz in de praktijk lang niet twee keer zo snel als een machine die draait op 1 GHz. Dat heeft vooral te maken met de FSB (de bandbreedte waarmee de processor met het geheugen communiceert). Achterblijvende FSB-bussnelheden vormen een lelijke flessenhals voor de allersnellste processors. Ook RAM-modules en chipsets op moederborden moeten fors sneller worden, willen ze een 10 GHz-processor kunnen bijbenen. Daarnaast zijn de prestaties van een processor afhankelijk van twee kleine stukjes geheugen op de processor, het L1 en L2 cache. Dit is een soort buffergeheugen waarin veelgebruikte instructies worden opgeslagen zodat ze sneller kunnen worden uitgevoerd. Een grotere cache zorgt voor een meer efficiënte afhandeling van de processortaken. Met nieuwe fabricagetechnieken is het zelfs mogelijk geworden om werkgeheugen op de processor aan te brengen, het 'High Level 3 cache'. Intel heeft aangekondigd om de McKinley met dergelijk geheugen uit te rusten.

Productietechnieken
Reguliere verhogingen van de kloksnelheid worden doorgaans bereikt nadat een verbeterde productietechniek is doorgevoerd. Chipkernen (cores) worden met honderden stuks tegelijk 'gebakken' op een wafer, waarbij de transistoren op een plakje silicium worden aangebracht. Sinds korte tijd worden de lijntjes op een processorkern geëtst met behulp van het 0,13 micron (130 nanometer) proces. Dat was 0,18 micron bij de Pentium III en 0,25 micron bij de Pentium II-processors. Gevolg is dat de chips in omvang afnemen, met gunstige gevolgen voor het energiegebruik. Ander pluspunt is dat er meer ruimte overblijft voor het uitdijende cachegeheugen. Naast de verkleining van het productieproces zijn andere verbeteringen in aantocht. SOI (Silicon on Insulator) is een nieuwe fabricagetechniek van IBM, waarop door AMD een licentie is genomen. SOI poogt prestaties te verbeteren door een laagje oxyde tussen de transistor en het silicium aan te brengen. Het oxyde schermt de transistor af van het silicium, zodat het energieverlies wordt beperkt. Dit levert snellere transistors op, die bovendien minder stroom nodig hebben. Toshiba claimt een mogelijke opvolger te hebben gevonden voor SOI, in de gedaante van SON (Silicon on Nothing). Waar bij SOI nog op delen van de wafer een isolator wordt aangebracht, is dit bij SON overbodig door het gebruik van gaatjes in de wafer. We kunnen deze techniek rond 2005 operationeel verwachten, geproduceerd via een 0,05 micron proces, aldus Toshiba. Intel heeft aangegeven twijfels te hebben over de effectiviteit van SOI op lange termijn. De energievoordelen zullen volgens het bedrijf wegvallen naarmate de productietechnieken kleiner worden. Intel zoekt de oplossing in HyperThreading, een techniek die de processor wijsmaakt dat hij met z'n tweeën is. Een thread (niet te verwarren met een discussie-onderwerp in een forum) is een bepaald deel van een programma dat onafhankelijk van andere delen van het programma op de achtergrond kan worden uitgevoerd. Het resultaat is een betere benutting van de execution units en dus een hogere doorvoersnelheid. Deze functionaliteit was al aanwezig op de oudere Pentium 4 en Xeon processors, alleen zijn de betreffende circuits hierop nog niet ingeschakeld. Helaas bestaat er geen 'tweak' om dit te activeren. 32-bits software zal overigens niet sneller draaien door HyperThreading, er moeten speciale programma's voor worden geschreven om de kracht ten volle te benutten.

Op een 'wafer' worden tegelijkertijd honderden processorkernen geproduceerd en getest.

CISC en RISC
Niet alleen het aantal transistors, maar ook de architectuur van een processor is van invloed op de uiteindelijke prestaties. Het belangrijkste onderscheid valt te maken tussen CISC (Complex Instruction Set Computer) en RISC (Reduced Instruction Set Computer). CISC-processors, zoals de complete x86 familie van Intel en AMD, zijn voorzien van een kern die slechts enkele eenvoudige handelingen kan uitvoeren. De 'domme' processor moet op een slimme manier worden aangestuurd. Slimme programma's zijn echter moeilijk te programmeren en vragen relatief veel geheugenruimte. Dit was lange tijd onaanvaardbaar, vanwege de hoge prijzen van RAM-modules. Daarom werd een soort tussentaal op de processor aangebracht, de zogenaamde microcode (ook wel Instruction Set Architecture genoemd). De microcode van de processor bevat instructies die de specifieke functies van de processor aansturen.
Ruim tien jaar geleden werd RISC geïntroduceerd, een techniek zonder microcode waarbij minder transistors nodig zijn. De Motorola-processors in computers van Apple maken gebruik van deze techniek. Een voordeel van het volledig 'hardwarematig' uitvoeren van instructies is dat dit meestal slechts één enkele klokpuls vergt. Wel gaat de snelheidswinst gedeeltelijk verloren doordat de processor meer arbeid moet verrichten. In plaats van één enkele instructie moet een programma meerdere instructies bevatten om dezelfde taak te kunnen uitvoeren.

EPIC
Verschillen tussen CISC en RISC beginnen steeds meer te vervagen. De huidige RISC-chips bevatten een instructieset die in complexiteit niet onderdoet voor de CISC-processors. De PowerPC 601 ondersteunde bijvoorbeeld meer instructies dan de Pentium. Toch wordt de PowerPC een RISC- en de Pentium een CISC-chip genoemd. Sinds kort zijn processors met een compleet nieuwe architectuur verkrijgbaar ('Explicitly Parallel Instruction Computing'), een architectuur die de kruisbestuiving tussen CISC en RISC definitief gestalte lijkt te geven. Zoals het woord 'parallel' doet vermoeden kan EPIC relatief veel instructies tegelijkertijd verwerken. EPIC probeert wachttijden te minimaliseren door middel van speculatie. De processor wordt bij wijze van spreken alvast gewaarschuwd dat bepaalde gegevens binnenkort nodig zijn. Zo kan hij de gegevens alvast doorsturen naar het cachegeheugen. EPIC is ondertussen verkrijgbaar in de vorm van de Itanium-processor.

Itanium en Sledgehammer
Zes jaar geleden begonnen Intel en Hewlett Packard aan de ontwikkeling van een 64-bits architectuur (IA-64). Het resultaat, de vorig jaar geïntroduceerde Itanium, is een van de grond af opnieuw ontworpen processor. Benchmarks laten fraaie resultaten zien, in vergelijking met snelle jongens als de Alpha 21264 en de HP N4000. Gemeten in MFLOPS is de Itanium, waarvan de opvolger 'McKinley' overigens al weer voor de deur staat, ongeveer 50% sneller. Vooral dankzij een volledig gepipelinede FPU, die vier floating point operaties ('achter de komma berekeningen') per kloktik kan afhandelen. Het benchmarken met MFLOPS is trouwens niet onomstreden. Floating-point instructies worden namelijk door elke processor op een eigen manier afgehandeld, hetgeen gekleurde testresultaten oplevert. Belangrijker is de vraag hoe bestaande software presteert in samenwerking met een bepaalde processor. Veel 32-bits programma's draaien als een natte krant op de Itanium. Voor optimale snelheid zal oudere software moeten worden herschreven, dat is de voornaamste reden waarom IA-64 voorlopig niet op de consumentenmarkt zijn intrede zal doen. Ook bij AMD is een 64-bits processor in ontwikkeling. De 'Hammer' ziet halverwege 2002 het levenslicht en integreert opvallend genoeg twee processorkernen op één chip, die samen een gedeeld cachegeheugen van liefst 1 MB gaan gebruiken. Als zodanig functioneert de chip in feite als multiprocessor-systeem. Net als de Itanium is de Hammer in eerste instantie vooral op de servermarkt gericht.

Met het programma Sandra van SiSoftware is het mogelijk om uw systeem te benchmarken. Op www.sisoftware.co.uk/sandra kunt u de gratis 'Standard' versie downloaden. De processorsnelheid wordt gemeten in MIPS (miljoen instructies per seconde) en MFLOPS (miljoen floating-point operaties per seconde), waarbij helaas nauwelijks rekening wordt gehouden met de architectuur en instructieset van een processor.

           

AMD en Intel steken elkaar beurtelings de loef af met snelle processors. Voordeel voor Intel is op dit moment de betere schaalbaarheid van de Pentium 4. Dit betekent dat de architectuur extreem hoge kloksnelheden toelaat, volgens Intel zelfs tot 10 GHz. Wel is een lager geklokte Athlon XP in veel gevallen sneller dan de Pentium 4. Daarom heeft AMD een oude verkooptruc van Cyrix uit de kast gehaald. Zo draait een Athlon XP 1800+ in werkelijkheid op 1,53 GHz. De 'claim' van AMD lijkt meer gerechtvaardigd dan die van Cyrix, wiens 686+ een droevige floating-point unit bezat en flink tekort kwam bij 3D-spellen.

Race tegen de klokfrequentie
In augustus 1999 gebeurde het onmogelijke. De belangrijkste fabrikant van processors, Intel, werd van de troon geduwd als leverancier van de snelste x86-processor. AMD's langverwachte Athlon had niet alleen een hogere kloksnelheid dan de snelste Pentium III op dat moment, maar bleek ook nog eens superieur op het gebied van floating-point berekeningen, die vooral van belang zijn bij de prestaties in 3D-spellen. Niet lang daarna won AMD ook nog eens de GigaHerz race. Intel heeft deze aanval ondertussen gepareerd met de Pentium 4, maar feit blijft dat de nieuwe Athlon XP-processors klok voor klok sneller zijn dan de Pentium 4, die bij identieke kloksnelheden zelfs tegen een Pentium III Coppermine het onderspit delft. Opnieuw vecht Intel terug, nu door de lancering van de Pentium 4 met Northwood-core op 2,2 GHz. Deze chip wordt gefabriceerd met een 0,13 micron techniek en bezit 512 Kb L2 cachegeheugen. De eerste benchmarks van de Northwood laten 5% tot 10% snelheidswinst zien ten opzichte van de voorganger, de Willamette-core. Belangrijker is dat de schaalbaarheid voorlopig weer is veiliggesteld: snellere versies van de Northwood zullen weldra volgen. Tot hoever AMD de Athlon-lijn nog weet op te krikken is onduidelijk. Het wachten is momenteel op de Thoroughbred, de 0,13 micron opvolger van de Palomino-kern die op de huidige Athlons is te vinden. Volgens de roadmap van AMD wordt de Thoroughbred in het eerste of tweede kwartaal van 2002 geïntroduceerd. De marketingmachine van beide bedrijven draait in ieder geval op volle toeren, maar het gaat dan vooral over ontwikkelingen op lange termijn:

"Intel beweert een technische doorbraak bereikt te hebben bij de productie van processors. De chipfabrikant acht het mogelijk om binnen vier jaar meer dan 400 miljoen transistors in één chip te verwerken. De nieuwe transistors hebben een afmeting van slechts 0,03 micron. Dat zijn ongeveer drie atomen naast elkaar." (Webwereld, december 2001)

"AMD heeft een doorbraak geboekt op het gebied van transistors. Het bedrijf heeft 's werelds snelste CMOS transistor ontworpen. Deze maakt gebruik van 15 nanometer (0,015 micron) technologie en is in staat om 3,33 biljoen keer per seconde te wisselen van een 0 naar een 1." (Tweakers, december 2001)

Vooruitblik
In 2006 bereiken processors vermoedelijk de 10 GHz grens. Deze zullen worden gefabriceerd met een 0,03 micron proces. Als vanzelfsprekend (kleinere transistors hebben immers minder stroom nodig) gaat dan ook het core-voltage omlaag, in de richting van 0,5 Volt. Een 10 GHz processor zal naar schatting 400 miljoen transistoren bevatten, bijna tien keer zoveel als de Pentium 4. Een omvangrijk deel daarvan is bestemd voor het cachegeheugen van minimaal 16 MB. Voorlopig biedt silicium als halfgeleider dus nog voldoende mogelijkheden om de kloksnelheden op te voeren. Op lange termijn zullen nieuwe 'nanotechnieken', die de verbindingen nog verder kunnen verkleinen, soelaas moeten bieden.
Huidige chipmachines gebruiken optische lithografie als verkleiningstechniek. De patronen worden aangebracht op een plak silicium door een lichtbundel. Optische lithografie is echter niet geschikt voor het produceren van chips met nano-details omdat de golflengte van het gebruikte ver-ultraviolet licht te groot is. Om nog dunnere lijntjes te kunnen etsen moet de golflengte omlaag, naar het gebied van extreem-ultraviolet. Zodoende zijn wetenschappers nu aan het experimenteren met 'Extreem Ultraviolet Lithografie'. Probleem is wel dat de golflengte van dit licht dusdanig klein is, dat het geabsorbeerd wordt door conventionele lenzen. Een oplossing is om spiegels te gebruiken die het licht reflecteren. Dit moet echter met een ijzingwekkende precisie gebeuren, en daar ligt op dit moment de voornaamste uitdaging voor de wetenschappers.

Het Nederlandse bedrijf ASML levert futuristische machines die chips kunnen produceren door middel van optische lithografie. ASML lijdt behoorlijk onder de huidige crisis in de halfgeleidersector en moest onlangs nog 1400 van de 8000 banen schrappen.

Conclusie
Rekenen we door met de Wet van Moore, dan beschikt u ergens tussen 2015 en 2020 over een TeraHertz-processor. Of deze wet van kracht zal blijven, hangt vooral af van de fabricagetechnieken. Op dit moment geldt: wie de meeste transistors op een plakje silicum aanbrengt heeft de snelste processor in handen. Maar de grenzen van deze techniek komen vroeg of laat in zicht. Dunnere verbindingen dan één atoom zijn sowieso onmogelijk. Technici zullen, de fysieke beperkingen in ogenschouw nemend, met grensverleggende oplossingen moeten komen. IBM is al bezig om een logisch circuit te bouwen met koolstof nanobuizen in plaats van silicium. Hiermee zal het mogelijk zijn om het aantal transistors met een factor tienduizend te laten toenemen. En over enkele decennia bevatten computers misschien geen elektronica meer, maar bijvoorbeeld enzymen. In plaats van enen en nullen wordt de computer dan gevoed met DNA. Het DNA molecule van de mens is ongeveer even groot als een honderdste van de doorsnee van een haar, en heeft een opslagcapaciteit van liefst 1,5 Gigabyte. Nu het praktische plafond van de transistordichtheid langzaam in zicht komt, verschuift de focus van ontwikkelaars dus naar andere zaken. Totdat er opnieuw een cruciale wetenschappelijke doorbraak wordt geboekt, zoals in 1947. Dan kunnen alle prognoses (eventueel samen met de Wet van Moore) de prullenbak in.