Waarom de Wet van Moore veranderde en wat nu volgt

Op een lentedag in 1965 zette een korte aantekening van een 36-jarige ingenieur het tempo voor moderne technologie. De observatie van Gordon Moore, dat het aantal transistors ruwweg elke 18–24 maanden zou verdubbelen terwijl de kosten daalden, werd minder een voorspelling en meer een belofte. Decennialang dreef dat ritme een tijdperk: mainframes ter grootte van een kamer maakten plaats voor zakformatige computers met meer rekenkracht dan het ruimtevaartuig dat als eerste de maan bereikte.

Beloftes hebben echter een houdbaarheidsdatum die gekoppeld is aan de wetten van de natuur. Het verkleinen van transistors werkte wonderen totdat hun schaal de dimensies van atomen raakte. De Dennard-schaalwet garandeerde ooit betere prestaties en lager energieverbruik naarmate kenmerken kleiner werden, maar die regel hield op lang voordat chips atomair werden. De winsten die vanzelfsprekend leken, begonnen te vertragen en stokten uiteindelijk.

Hoe en waarom vertraagde de sprint tot bijna stilstand? Natuurkunde, eerlijk en onverbiddelijk. Zodra poorten van transistors nog maar enkele nanometers breed zijn, letterlijk een handvol siliciumatomen, stoppen elektronen met zich als nette biljartballen te gedragen. Ze gedragen zich als golven. Ze tunnelen. Een transistor die uitgeschakeld had moeten zijn, kan stroom lekken omdat een elektron kan tunnelen door wat vroeger een ondoordringbare barrière was. Kleine lekkages tellen op. Miljarden lekkende schakelaars op één enkele chip veranderen een slim processorontwerp in een compacte kachel.

Hitte bracht een nieuwe grens: de thermische muur. Kloksnelheden stegen van eencijferige gigahertzen naar eerder onvoorstelbare waarden, maar rond 4 tot 5 GHz verdween het rendement. Verhoog je de frequentie, dan reken je niet alleen sneller; je kookt de chip. Dat leidde tot het merkwaardige en kostbare fenomeen dat dark silicon wordt genoemd, grote delen van een chip die op elk moment uitgeschakeld moeten blijven om oververhitting te voorkomen. Meer transistors betekenden niet langer automatisch meer bruikbare prestaties.

Ingenieurs weigerden zich bij de nederlaag neer te leggen. Ze vormden transistors in drie dimensies. In 2011 omarmde de industrie FinFETs, een vinachtige structuur waarmee de poort het kanaal vanaf meerdere zijden kan beheersen en lekstromen kan terugdringen. FinFETs kochten de roadmap nog een decennium tijd, waardoor 7 nm- en 5 nm-nodes mogelijk werden. Maar naarmate nodes richting 3 nm en kleiner schoven, faalden zelfs FinFETs. Het antwoord was een steviger omhelzing: GAAFETs, waarbij de poort zich volledig om nanobandjes of nanovellen wikkelt en elke ontsnappingsroute dichtknijpt. Het bouwen van zulke sculpturen op atomaire schaal is een van de grote prestaties van de techniek.

Maar natuurkunde is slechts de helft van het verhaal. De economie schreef het andere hoofdstuk. Fotolithografie aan de technologische grenzen is nu afhankelijk van extreme ultraviolet-instrumenten, enorme machines die praktisch onmogelijk te bouwen zijn zonder gespecialiseerde expertise. ASML in Nederland is de enige leverancier van EUV-steppermachines die kenmerken in 3 nm-klasse kunnen printen. Elke eenheid torent als een bus, bevat meer dan honderdduizend onderdelen en kost ongeveer driehonderd miljoen dollar. Een moderne toponder-fab? Rekening houdend met tientallen miljarden aan investeringen. Deze bedragen hebben de industrie hervormd: een landschap dat ooit tientallen siliciumfabrikanten kende, is geconcentreerd tot een handvol giganten.

Wat gebeurt er als je transistors niet eeuwig kleiner kunt maken? Je verandert de regels. De industrie schakelt van monolithische, universele cpu's over naar heterogene systemen en ontwerpen op basis van chiplets. In plaats van elke functie op één enkele chip te dwingen gemaakt op dezelfde node, verbinden ontwerpers kleinere tegels, chiplets, die met verschillende processen kunnen worden vervaardigd en vervolgens met geavanceerde verpakking worden geïntegreerd. Het is pragmatisch. Het is goedkoper. Het is flexibel.

Gespecialiseerde accelerators hebben ook aan belang gewonnen. GPU's, neurale verwerkingsunits en domeinspecifieke chips zoals Googles TPU's of Apples M-serie siliconen tonen dat ruwe transistordichtheid niet de enige weg naar prestaties is. Schuif de wiskunde naar hardware die daarvoor is gebouwd, en de efficiëntie stijgt sterk. Fotonica, het gebruik van licht in plaats van elektronen voor sommige communicatie- en rekentaken, wint terrein en belooft lager energieverbruik voor databeweging. En aan de verre rand van het mogelijke bieden kwantumcomputers een radicaal andere rekenaanpak in plaats van slechts een miniaturisering van bestaande systemen.

De wet van Moore is niet overleden; ze is omgeleid naar slimere architecturen, nieuwe materialen en systeemdenken.

Het verhaal van halfgeleiders is verschoven van één maatstaf, transistordichtheid, naar een breder palet van afwegingen: kosten per functie, energie per operatie en het vermogen om heterogene onderdelen tot samenhangende systemen te assembleren. De toekomst gaat minder over meedogenloze krimp en meer over slimme samenstelling: chiplets en 3D-stacking, fotonische verbindingen, gespecialiseerde accelerators en software die diverse componenten efficiënt orkestreert.

Ingenieurs geven zich niet gewonnen aan kwantumgrenzen. Ze herontwerpen het slagveld. Wanneer één deur in de natuurkunde sluit, breken ze door de muur om een raam te maken. Het volgende decennium zal er anders uitzien dan het vorige, maar het zal niet minder vindingrijk zijn en mogelijk juist interessanter.