زندگی‌ چندگانه قانون مور - بخش اول

این مطلب یکی از مقالات پرونده ویژه «پنجاه سالگی قانون مور» است. برای دانلود رایگان کل این پرونده ویژه اینجا را کلیک کنید. 

نيم قرن پيش، مهندس جوانی موسوم به گوردون ای.مور با نگريستن به صنعت نوپایی که در آن مشغول به‌کار بود، وقوع اتفاق‌های بزرگی را در آينده پيش‌بينی کرد. او در مقاله چهار صفحه‌ای خود که در مجله «الکترونيکس» چاپ شد، به پيش‌بينی آينده‌ای پرداخت که کامپيوترهای خانگی، تلفن‌های موبايل و سامانه‌های کنترل خودکار خودروها در آن حضور دارند. او نوشت که همه شگفتی‌های فوق ناشی از اين واقعيت خواهد بود که شمار اجزای پیاده ‌شده روی مدارها با نرخ يکنواختی هر سال دو برابر خواهد شد و اين اجزا می‌توانند به‌گونه‌ای مقرون به‌صرفه روی يک تراشه يک‌پارچه شوند. 
يک دهه پس از آن، در پيش‌رفت تصاعدی و فزاينده مدارهای يک‌پارچه (که بعدها قانون مور خوانده ‌شد) هيچ نشانه‌ای از توقف مشاهده نشد. امروزه، قانون مور بازگوکننده دوره موفقيت‌آميز پنجاه‌ ساله‌ای است که گونه‌های بی‌شماری از کامپيوترها، دستگاه‌های شخصی الکترونيک و حس‌گرها را فراروی ما نهاده‌ است. تأثير قانون مور بر زندگی مدرن را نمی‌توان از ديده دور داشت. ما بدون در نظر داشتن تأثیر اين قانون نمی‌توانيم سوار هواپيما شويم، تلفن بزنيم يا حتی ماشين ظرف‌شویی‌‌‌ خود را روشن کنيم. بدون آن نمی‌توانستيم ذره بنيادی Higgs‌ را بيابيم يا اينترنت را پديد آوريم. قانون مور واقعاً چيست و چرا چنين موفق بوده ‌است؟ آيا شاهدی بر پيروزی گريزناپذير و پيش‌رونده فناوری است؟ يا دوران منحصر به‌فردی از تاريخ مهندسی را بازمی‌نماياند که در آن ويژگی‌های خاص سيليکون در کنار نوآوری‌های پياپی مهندسی چند دهه پيش‌رفت خيره‌کننده در حيطه فناوری را رقم زدند؟ به‌نظر می‌رسد درباره قانون مور هيچ چيز گريزناپذيری وجود نداشت. بلکه اين قانون نشان‌دهنده سخت‌کوشی، هوش انسان و انگيزه‌های موجود در بازار آزاد است. شايد پيش‌بينی مور در آغاز مشاهده‌ای ساده بر يک صنعت نوپا بود، اما در گذر زمان به پيش‌بينی چشم‌گيری بدل شد که درستی خود را به‌اثبات رساند؛ به جريان مداومی از آفرينش تازه‌ها به‌وسيله مهندسان و شرکت‌هایی که مزيت قانون مور را ‌می‌دانستند و همه تلاش خود را به‌کار می‌بستند؛ زيرا ناديده انگاشتن آن رقابت آن‌ها را در بازار با تهديد روبه‌رو می‌کرد. همچنين، استدلالم اين است که قانون مور به‌رغم تعابير پايان‌ناپذيری که برای آن ارائه شده ‌است، مفهوم ساده‌ای نيست. معنی آن در طی سال‌ها بارها تغيير کرده ‌و همين حالا نيز در حال تغيير است. اگر می‌خواهيم با بهره‌گيری از اين قانون درباره سرشت پيش‌رفت سخن بگوييم و دريابيم که قانون مور درباره آينده چه می‌گويد، بايد نگاه عميق‌تری داشته ‌باشيم. در اوايل دهه 1960، پيش از آن‌که دره سيليکون معروف شود، گوردون مور مدير واحد پژوهش و توسعه شرکت Fairchild Semiconductor بود. 

 قانون مور واقعاً چيست و چرا چنين موفق بوده ‌است؟ آيا شاهدی بر پيروزی گريزناپذير و پيش‌رونده فناوری است؟ يا دوران منحصر به‌فردی از تاريخ مهندسی را بازمی‌نماياند که در آن ويژگی‌های خاص سيليکون در کنار نوآوری‌های پياپی مهندسی چند دهه پيش‌رفت خيره‌کننده در حيطه فناوری را رقم زدند؟ 

او و ديگران اين شرکت را در سال 1957 و پس از ترک شرکت Shockley Semiconductor Laboratory تأسيس کردند. همان شرکت که برخی از نخستين تلاش‌ها برای ساخت تجهيزات الکترونيک سيليکونی در آن‌‌جا صورت پذيرفته ‌بود. فيرچايلد گروه‌ کوچکی متشکل از چند شرکت بود که درباره ترانزيستورها پژوهش می‌کرد. قطعه‌هایی که امروزه به سویيچ‌های همه‌ جا حاضر تبديل شده‌ و از کنار هم نهادن ميلياردها ترانزيستور روی يک تراشه پديد آمده‌اند و برای محاسبه‌ها و ذخيره داده‌ها به‌کار می‌روند. اين شرکت به‌سرعت برای خود جايگاه مطلوبی دست و پا کرد. در آن زمان، بيش‌تر مدارها از ترانزيستورها، مقاومت‌ها، خازن‌ها و ديودهای منفردی پديد آمده ‌بودند که به‌صورت دستی با سيم روی مدار به‌هم متصل می‌شدند. اما در سال 1959، ژان هورنی از شرکت فيرچايلد ترانزيستور مستوی را اختراع کرد. اين گونه از ترانزيستورها به‌جای صفحه‌های تپه‌ای‌شکل سيليکونی، روی يک بورد ويفر سيليکونی ساخته می‌شدند. 

 شکل 1: تعادل بهينه سود و هزينه؛ اقتصاد کانون مقاله سال 1965 مور است. او گفت برای هر نسل از فناوری توليد تراشه، يک منحنی هزينه وجود دارد. هرچه اجزای مدار مجتمع بيش‌تر باشند، هزينه ساخت هر جزء کاهش می‌يابد، اما پس از گذر از يک نقطه خاص، نسبت سود به هزينه کاهش و هزينه افزايش می‌يابد. نقطه تعادل بهينه سود و هزينه جایی است که هزينه ساخت هر جزء کمينه است و در گذر زمان به سمت مدارهای مجتمع هرچه پيچيده‌تر متمايل می‌شود. 

با چنين ساختاری، مهندسان می‌توانستند سيم‌ها را از فراز ترانزيستورها عبور دهند و آن‌ها را به‌هم متصل کنند و در نتيجه يک مدار مجتمع پديد آورند. جک کيلبی از شرکت تگزاس اينستزومنتس مسئول پديد آوردن طرح اوليه‌ای شد که در آن قطعه‌ها با سيم‌های شناوری که از فراز تراشه عبور می‌کرد، به‌هم متصل می‌‌شدند. اما رابرت نويس، همکار مور، نشان داد که می‌توان از ترانزيستورهای مستوی برای ساخت مدارهای مجتمعی که همچون بلوک‌های سخت عمل می‌کنند، بهره برد. برای اين‌ کار بايد ترانزيستورها را با يک لايه عايق اکسيد ‌پوشاند و سپس برای اتصال قطعه‌ها از آلومينيوم استفاده‌ کرد. فيرچايلد از اين معماری جديد برای ساخت نخستين مدار مجتمع سيليکونی سود برد که در سال 1961 معرفی شد و شامل چهار ترانزيستور بزرگ بود. در سال 1965 اين شرکت آماده شد تا نخستين تراشه خود با 64 جزء را عرضه کند. مور با برخورداری از اين دانش، مقاله معروف خود در سال 1965 را با اين عبارت جالب ‌توجه آغاز کرد: «آينده [مدارهای] الکترونيک مجتمع همان آينده الکترونيک خواهد بود.» 
آن ادعا امروزه بديهی به‌نظر می‌رسد، اما در آن زمان ديدگاه هياهو برانگيزی به‌شمار می‌رفت. خيلی‌ها در اين ‌باره که مدار مجتمع اصلاً بتواند از وضعيت محدود خود فراتر رود، اظهار ترديد کردند. با اين‌که نخستين تراشه‌های مجتمع از نياکان خود که با دست سيم‌کشی می‌شدند کوچک‌تر بودند، اما هزينه آن‌ها نيز به‌گونه چشم‌گيری بيش‌تر بود. تنها معدودی از شرکت‌ها مدار مجتمع می‌ساختند و مشتريان واقعی آن‌ها فقط ناسا و ارتش ايالات متحده بود. آن‌چه مشکل فوق را شدت می‌بخشيد، اين واقعيت بود که ترانزيستورها هنوز نامطمئن بودند. از کل ترانزيستورهایی که ساخته می‌شدند، فقط شمار کمی از آن‌ها (که مور بعدها گفت فقط 10 تا 20 درصد) واقعاً کار می‌کردند. در نتيجه، وقتی يک دوجين از آن‌ها روی يک مدار مجتمع پياده می‌شد، انتظار می‌رفت که تنها 10 تا 20 درصد آن‌ها عمل ضرب را انجام دهند و اين نشان می‌دهد تراشه‌هایی که می‌توانستند کار کنند، چه کم‌شمار بودند. اين منطق و رويه ايراد داشت. کارایی يک تراشه‌ با هشت ترانزيستور بسيار کم‌تر از کارایی عملی هشت ترانزيستور مستقل بود؛ زيرا موارد احتمالی را نمی‌شد ناديده انگاشت. اجزای معيوب نيز فضا اشغال می‌کنند و بسياری از آن‌ها به‌صورت تصادفی، مانند پاشيده ‌شدن رنگ روی سطح تراشه توزيع می‌شدند. اگر دو ترانزيستور نزديک يکديگر نصب شده ‌باشند، وجود فضایی معيوب به ‌اندازه يک ترانزيستور می‌تواند هر دو آن‌ها را از دور خارج کند. در نتيجه، استقرار دو ترانزيستور در کنار هم تقريباً همان ريسک يک ترانزيستور معيوب را به‌دنبال دارد.

مور به ‌اين نتيجه رسيده ‌بود که يک‌پارچه‌سازی شيوه مقرون ‌به‌صرفه‌ای خواهد بود. او در مقاله خود در سال 1965، به‌عنوان شاهدی بر موفقيت مدارهای مجتمع در آينده پنج نقطه را در روند زمانی اين جريان ترسيم کرد که آغاز آن ساخت نخستين ترانزيستور مستوی (Planar) فيرچايلد بود.

مور به ‌اين نتيجه رسيده ‌بود که يک‌پارچه‌سازی شيوه مقرون ‌به‌صرفه‌ای خواهد بود. او در مقاله خود در سال 1965، به‌عنوان شاهدی بر موفقيت مدارهای مجتمع در آينده پنج نقطه را در روند زمانی اين جريان ترسيم کرد که آغاز آن ساخت نخستين ترانزيستور مستوی (Planar) فيرچايلد بود و پس از آن ديگر مدارهای مجتمع شرکت درج شده ‌بودند. او برای اين‌ کار از نمودار نيمه‌لگاريتمی بهره برد که در آن يکی از محورهای نمودار لگاريتمی و ديگری خطی بود و تابع نمایی به‌صورت يک خط مستقيم ظاهر می‌شد. خطی که او در امتداد نقطه‌ها ترسيم کرده‌ بود،کم و بيش مستقيم بود، با دو شيب که دو برابر شدن شمار اجزای مدار مجتمع در هر سال را نشان می‌داد. 
او با اشاره به ‌اين خط، پيش‌بينی متهورانه‌ای را مطرح کرد؛ روند دو برابر شدن اجزای تراشه در هر سال تا 10 سال آينده ادامه خواهد داشت. او پيش‌بينی کرد تا سال 1975 شمار اجزای مدارهای مجتمع تقريباً از 64 عدد به 65 هزار عدد افزايش خواهد يافت. پيش‌بينی او تا اندازه بسيار زيادی درست از آب درآمد. در سال 1975، اينتل، شرکتی که مور پس از ترک کردن فيرچايلد در سال 1968 به يکی از بنيان‌گذاران آن بدل شد، تراشه‌ حافظه‌های CCD (سرنام Charged-Coupled-Device) با تقريباً 32 هزار ترانزيستور را معرفی کرد.