Loi de Moore

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Croissance du nombre de transistors dans les microprocesseurs Intel par rapport à la loi de Moore. En vert, la fausse hypothèse voulant que ce nombre double tous les 18 mois

Les lois de Moore sont des lois empiriques. Elles ont trait à l'évolution de la puissance des ordinateurs et de la complexité du matériel informatique.

Il existe en fait trois lois de Moore, deux authentiques (au sens où elles furent émises par Gordon E. Moore), et une série de « lois » qui ont en commun de se prétendre « loi de Moore » mais qui n'en sont que des simplifications inexactes.

[modifier] Énoncés

Le 1^er microprocesseur (Intel 4004) à été inventé en 1971. Il s’agissait d’une unité de calcul de 4 bits, cadencé à 108 kHz et intégrant 2 300 transistors. La capacité d’intégration des transistors et la diminution de la gravure ont amélioré les performances des processeurs.

La Loi de Moore a été exprimée en 1965 dans « Electronics Magazine » par Gordon Moore, ingénieur de Fairchild Semiconductor, un des trois fondateurs d'Intel. Constatant que la complexité des semiconducteurs proposés en entrée de gamme doublait tous les dix-huit mois à coût constant depuis 1959, date de leur invention, il postulait la poursuite de cette croissance (On rappellera qu’en 1965, le circuit le plus performant comportait 64 transistors). Cette augmentation exponentielle fut rapidement nommée Loi de Moore ou, compte-tenu de l'ajustement ultérieur, Première loi de Moore^[1].
En 1975, Moore réévalua sa prédiction en posant que le nombre de transistors des microprocesseurs (et non plus de simples circuits intégrés moins complexes car formés de composants indépendants) sur une puce de silicium double tous les deux ans. Bien qu'il ne s'agisse pas d'une loi physique mais juste d'une extrapolation empirique, cette prédiction s'est révélée étonnamment exacte. Entre 1971 et 2001, la densité des transistors a doublé chaque 1,96 année. En conséquence, les machines électroniques sont devenues de moins en moins coûteuses et de plus en plus puissantes.
Une version commune, variable et sans lien avec les énoncés réels de Moore est: « quelque chose » double tous les dix-huit mois, cette chose étant « la puissance », « la capacité », « la vitesse » et bien d'autres variantes mais très rarement la densité des transistors sur une puce. Ces pseudo « lois de Moore » sont celles le plus souvent diffusées, car elles fleurissent dans des publications grand public et sur de nombreux sites Internet. Leur seul point commun est donc ce nombre de dix-huit mois, qu'on ne trouve pourtant dans aucun des deux énoncés de Moore.

[modifier] Pertinence et ralentissement

La deuxième loi est à peu près vérifiée depuis 1973, et aurait dû théoriquement continuer encore jusqu'en 2015 avant qu'on ne bute sur des effets de bruits parasites (effets quantiques, désintégrations alpha). Mais depuis 2004, elle souffre d'un petit ralentissement dû à des difficultés de dissipation thermique, qui empêche une montée en fréquence en dépit de la taille plus faible des composants. Les fréquences de processeurs montent à ce jour au delà de 5 GHz, un record de 500 GHz a été battu par IBM (en coopération avec Georgia Tech) avec un transistor équipé d'une puce à base de Silicium-Germanium qui, pour l'occasion, a été refroidi à -269 °C à l'hélium liquide. Ce transistor fonctionne tout de même à 350 GHz à température ambiante.

On contourne pour le moment cette difficulté de deux façons :

doublement sur une puce du nombre de processeurs, la fréquence restant pour sa part inchangée (Dual PowerPC en 2002, Dual IA en 2004, Intel Core Duo en 2006) ;
expérimentation de puces fonctionnant en mode totalement asynchrone. On s'aperçoit en effet que la simple transmission du signal d'horloge à tous les composants consomme la moitié de l'espace et de la puissance électrique des microprocesseurs actuels.

[modifier] Autres facteurs

[modifier] Aspects financiers

Un autre facteur peut venir la freiner, et qui n'a cette fois-ci plus rien de physique, mais qui est d'ordre financier : il n'y a pas que la puissance des microprocesseurs qui augmente exponentiellement. Il y a aussi le coût de leurs chaînes de production, à un point tel que même des géants concurrents comme IBM et Siemens ont dû grouper leurs investissements pour arriver à suivre le mouvement.

La rentabilité des générations futures de machines dépend d'un futur pour le moins incertain (beaucoup d'utilisateurs de PC, par exemple, commencent à prendre comme critère de choix prioritaire non plus la vitesse d'un PC, mais son niveau de bruit) et il se pourrait que dans ces conditions ce soit une décision de financiers, et non un palier physique, qui mette fin à cette Loi de Moore.

[modifier] Vitesse réelle et vitesse subjective

Des machines de plus en plus puissantes mises à disposition des développeurs ont malheureusement des effets pervers. À l'époque des processeurs « lents » des années 1980 et 1990, les développeurs investissaient beaucoup de temps pour optimiser les programmes et chaque ligne de code que l'on pouvait économiser permettait de gagner des cycles d'horloge et donc d'aller plus vite. Les ordinateurs actuels offrent un confort de travail qui a pour effet de diminuer la vigilance des développeurs. En outre, les contraintes économiques obligent à toujours produire dans l'urgence, et le temps passé autrefois à optimiser le code a été sacrifié. Ainsi est-on confronté aujourd'hui à un paradoxe : les ordinateurs sont de plus en plus rapides, mais les logiciels de plus en plus lourds et de plus en plus lents (voir Loi de Wirth). Au final, l'utilisateur n'a pas la sensation d'une réelle augmentation de la vitesse, surtout pour des tâches élémentaires comme le traitement de texte. Nombre d'utilisateurs regrettent même les ordinateurs plus « rustiques » qui, privés de tous les gadgets dont les systèmes sont chargés aujourd'hui, étaient beaucoup plus performants en terme de productivité.

[modifier] Contrainte économique

La loi de Moore pourrait également présenter un intérêt économique de contrôle de la demande par répartition distillée de l'offre. En effet, la miniaturisation progresse en principe grâce à des découvertes et à des optimisations ponctuelles, réalité peu conforme à la régularité de l'évolution exponentielle spécifiée par la loi de Moore. En maîtrisant dans le temps la diffusion des applications technologiques nouvelles, il est possible que les géants des semi-conducteurs définissent eux-mêmes un modèle stable de consommation,^{[réf. nécessaire]} et s'assurent ainsi d'une correspondance entre leurs efforts d'innovation et les désirs de renouvellements de leur clientèle. L'autolimitation de l'offre obligerait ainsi les consommateurs à mettre à jour régulièrement leur matériel. Pour être effective, il faudrait néanmoins qu'une telle autolimitation de l'offre puisse s'appuyer sur une cartellisation forte du marché.

Dans ce cas, assez inédit dans l'histoire du capitalisme, les lois du marché obligeraient à brider l'innovation pour assurer une rente à l'ensemble du secteur concerné.

[modifier] "The Wall"

La loi de Moore s'est jusqu'ici révélée étonnamment exacte, et elle pourrait en principe le rester jusque vers 2015 avant qu'on ne soit réellement confronté aux effets quantiques. En 2015, les processeurs devraient donc contenir plus de 15 milliards de transistors.

En 1999 le transistor CMOS dit « ultime » développé au CEA-Leti à Grenoble a poussé à ses limites le principe du transistor MOSFET avec une section de 18 nanomètres (la dimension d’environ 70 atomes mis côte à côte), c’est 7 fois plus petit que le plus petit transistor industriel de 2003 (130 nm en 2003, 90 nm en 2004, 65 nm fin 2005). Il permettrait un degré d’intégration théorique de 7 milliards de jonctions sur une pièce de 1 Euro. Mais il ne s’agissait-là que d’une simple expérience de recherche pour étudier le fonctionnement des technologies CMOS lorsque l’on s’approche de la taille moléculaire. On serait encore incapable à ce jour de maîtriser l’assemblage coordonné d’un très grand nombre de ces transistors sur un circuit et encore moins de réaliser cela sur un plan industriel.

Le coût de la technologie permettant la réalisation de puces intégrant de plus en plus de transistors augmente dans des proportions vertigineuses. Une autre loi empirique de la Silicon Valley, la loi de Rock, stipule ainsi que le coût de fabrication d’une puce double tous les quatre ans car le procédé de fabrication, la photolithographie, utilisé depuis une quarantaine d’année se rapproche toujours plus de ses limites physiques. Ainsi en 2004, Intel a annoncé un investissement de plus 2 milliards de dollars dans son usine Fab12 en Arizona pour la fabrication de puces à partir de wafers de 300 mm de diamètre, qui ont remplacé les wafers 200 mm vers la fin 2005.

Pour fabriquer des transistors toujours plus minuscules, on utilise des rayonnements de longueur d’onde toujours plus courtes et la course à la miniaturisation entraînera la photolithographie dans le spectre des rayons X de plus en plus durs (rayonnement UV puis rayons X… ). Mais dans cette gamme de longueurs d’ondes il devient difficile, voire impossible de concentrer efficacement les rayons. Au milieu des années 1990, on estimait ne pas être en mesure de fabriquer industriellement des transistors de moins de 400 atomes (100 nm) de section avec un tel procédé. Aujourd’hui, on considère possible de repousser les dimensions critiques des transistors CMOS à environ 20 nm, des démonstrations en laboratoire ayant déjà eu lieu. Mais cet ultime ordre dimensionnel constituera alors une limite industrielle et physique pour cette technologie. Dans l’industrie du silicium, cette limite s’appelle « the Wall».

[modifier] Changement de paradigme

Lorsque la loi de Moore aura atteint ses limites, changer de paradigme consistera en la transition de la microélectronique aux nanotechnologies. C’est-à-dire un ensemble de technologies radicalement différentes, complémentaires ou concurrentes telles que l’utilisation des nanotubes dans les transistors moléculaires, l’informatique ADN (ordinateur à ADN), l'informatique quantique, ... Technologies couramment regroupées sous le vocable « nano-informatique » qui introduisent notamment les systèmes ubiquitaires et l'informatique diffuse.

Lors de l'Intel Developer Forum de septembre 2007, Gordon Moore a prédit que sa loi de doublement du nombre de transistors dans une puce tous les deux ans ne serait plus valide dans dix à quinze ans^[2]. En effet, l'industrie approche de plus en plus des limites physiques de la micro-électronique où les transistors ne seront plus constitués que de quelques atomes et l'isolant entre eux d'un seul. L'industrie devra alors se chercher des méthodes entièrement nouvelles, tel que l'empilement des transistors en 3 dimensions^[3].

[modifier] Puces mémoires : quelques repères

(Indiqués par Gordon Bell dans son exposé « Computing laws »)

Selon la loi Moore

1980 : 64 K bits
1983 : 256 K bits
1985 : 1 mégabit
1987 : 4 mégabits
1990 : 16 mégabits
1993 : 64 mégabits
1996 : 256 mégabits
1999 : 1 gigabits
2005 : 3 gigabits

Actuellement

2007 : 3 gigabits x 8

A Venir

?? : 5 gigabits x 25

[modifier] Notes et références

[modifier] Bibliographie

Chasing Moore's Law: Information Technology Policy In The United States, William Aspray, SciTech Publishing, 2004, ISBN 1891121332
Nano-informatique et Intelligence Ambiante, Jean-Baptiste Waldner, Hermes Science, London, 2006, ISBN 2746215160
Les ordinateurs de demain, Alain Schuhl, Editions Le Pommier, Paris, 2004, ISBN 274650183X

[modifier] Voir aussi

[modifier] Liens externes