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Das Moore'sches Gesetz

Fast schon legendär ist Moore'sches Gesetz, doch was besagt es aus und gilt es noch immer.

Das Moor'sche Gesetz ist eine Vorhersage über die Integrationsdichte. am 19.4.2015, also vor 50 Jahren (zum Zeitpunkt als dieser Artikel entstand) erschien die Zeitschrift "Electronics". Er prognostizierte das in Zehn Jahren, also 1975 65000 Transistoren auf einen Chip passen. Moore war damals bei Fairchild angestellt (Intel wurde zusammen mit seinem Kollegen Noyce) erst drei Jahre später gegründet. Fairchild war einer der ersten Hersteller von integrierten Schaltungen. Sie wurde 1958 erfunden und Anfang der Sechziger Jahre waren die ersten Exemplare auf dem Markt verfügbar. Basierend auf den Erfahrungen der letzten Jahre und des Anstiegs der Elemente pro Schaltung prognostizierte Moore das dies so weitergehen könnte. Die Zeitspanne in der sich die Integrationsdichte verdoppelt setzte er basierend auf den bisherigen Erfahrungen auf 12 Monate fest. Er fügte sogar einen Comic bei, der Computer in einem Laden neben Kurzwaren und Kosmetik verkauft wurden. Noch visionärer waren es "Handy Home Computers". Computer waren 1965 nicht klein, sondern so groß wie ein Kleiderschrank und sie waren nicht für den Endverbraucher nutzbar (viel zu kompliziert), also weder Handy noch Home. Bezahlbar waren sie für Privatpersonen natürlich auch nicht. Interessanterweise fing diese Revolution gerade 1975 an, also zu dem Zeitpunkt wo Moores Vorhersage endete.

Wie sich zeigte war das doch etwas zu optimistisch. Der Anstieg war geringer als prognostiziert. 1975 war Intels höchstintegrierter Prozessor der 1974 erschienen Intel 8080 der 6000 Transistoren hatte, also ein Zehntel der Vorhersage (erst 1982 sollte Intel diese Dichte erreichen und übertreffen). Die Aussage bezieht sich auf Logikbausteine. Speicherbausteine gab es damals noch nicht, doch auch diese waren 1975 erst bei 4 KBit also 4096 Elementen angekommen. Als Moore die Vorhersage machte war Fairchild neuestes Produkt der µA709, ein Verstärker mit 15 Transistoren und 15 Widerständen in 25 µm Strukturtechnologie.

Due Strukturbreiten sind der Schlüssel zum Verständnis: sie werden immer kleiner, damit auch die Strukturen die man herstellen kann (Leitungsbahnen, Transistoren, Widerstände). Technisch versucht man definierte Schritte zu erreichen. Üblich ist eine Halbierung der Strukturbreite (früher, als der Anstieg noch schneller war) oder eine Reduktion um den Faktor √2, das ist heute die übliche Steigerungsstufe. Eine Halbierung bedeutet viermal so viele Bauelemente auf der gleichen Fläche, √2 entspricht einer Verdoppelung (√2² = 2). Moore bezog sich auf die Produktionstechnik. Chips werden wie eine Zeitung gedruckt, wobei Masken zum Einsatz kommen die Teile abdecken die nicht belichtet ("bedruckt") werden sollen. Aus physikalischen Gründen kann man eigentlich keine Strukturen herstellen, die viel kleiner als die verwendete Wellenlänge sind. Seit über 10 Jahren setzt man nun aber UV-Licht von 193 nm Wellenlänge ein und kann damit heute sogar 14 nm breite Strukturen herstellen. Das geschieht mit einigen Tricks, dadurch hat aber der Begriff der Strukturbreite heute nicht mehr die Bedeutung von präzise ausmessbaren Abständen zwischen zwei Elementen. De Industrie wartet seit langem auf den Wechsel auf Extrem-UV oder Röntgenlicht. Bisher sind die Technologien aber noch nicht produktionsreif. So muss man im Vakuum arbeiten. Viele Materialen schlucken diese Wellenlängen, das alles treibt die Kosten hoch.

Zurück zu Moore'sches Gesetz: 1976 zum zehnjährigen Jubiläum brachte Dave House, damals Produktionsleiter seine Version unter die Leute. Sie besagte "Die Performance eines Prozessors verdoppelt sich alle 18 Monate". House hat einen Mittelwert aus Moores beiden Vorhersagen getroffen und sie auf ein praktisches Kriterium bezogen - die Geschwindigkeit. Denn wie viele Transistoren auf einem Chip sind ist für die Nutzer eigentlich unwichtig. Darüber hinaus gibt es einen Unterschied zwischen Transistoren und Elementen (Widerstände, andere Elemente), oft spricht man auch von Transistorfunktionen.

Ich habe nun die Daten vieler Intel Prozessoren genommen und fasse sie hier in Tabellen und Grafiken zusammen. Dazu will ich aber noch einige wichtige Bemerkungen machen. Die transistorzahlen sind ein recht hartes Kriterium, das man auch einfach durch Recherche gewinnen kann. Seit der Pentium II Generation ist es aber so, dass Intel beim Start einer neuen Fertigungstechnologie eine ganze Reihe von Prozessoren vorstellt. Es gibt immer mehr Plattformen. Heute gibt es drei verschiedene Typen für Mobilgeräte mit "ultra-niedrigem", "niedrigem" und "normalen" Energieverbrauch. Im Desktopbereich gibt es die Core I3, I4 und I7 Serie. Sie unterscheiden sich in Kernzahl, Hyperthreadingunterstützung und Cache. Dazu gibt es dann noch die Serverprozessoren der Xeon Serie, die Atom, Pentium und Celereonserie für den Einstandsbereich. Innerhalb jeder Serie gibt es dann noch unterschiedliche Typen die sich nicht nur in der Taktfrequenz sondern auch Kernzahl oder anderen Parametern unterscheiden.

Damit ist es sehr schwierig anzugeben was nun die Integrationsdichte dieser Technologie ist. Die absolute Transistorzahl ist nicht mehr brauchbar, da Serverprozessoren viel größer als Desktop Typen sind und so auch mehr Transistoren haben. So hatte 2010 ein Prozessor in der "Westmere" Technologie (32 nm Strukturbreite) 1,7 Milliarden Transistoren und 6 Kerne - es war ein großer Serverprozessor. 2014 hatte  ein neuer Notebook-Prozessor in der "Broadwell" Technologie dagegen 1,3 Milliarden Transistoren - er war eben viermal kleiner als das Exemplar von 2010 bei vergleichbarer Transistorenzahl.

So sind aber Ergebnisse schwer vergleichbar. Ich habe als Transistorenzahl daher immer die des größten Desktop-Exemplars genommen.

Noch schwerer wird die Performancebewertung. Es gibt hier mehrere Methoden diese zu bewerten. Bei frühen Exemplaren gab man vor allem die Anzahl der Instruktionen an die pro Sekunde abgearbeitet wurden. Meistens in MIPS (Millionen Instruktionen pro Sekunde). Das Problem: Die Instruktionen sind nicht gleichwertig. So kann ein 16 Bit Prozessor mehr Daten mit einer Instruktion verarbeiten als ein 8-Bit Prozessor. Er ist so bei gleicher Instruktionszahl in praktischen Anwendungen schneller. Erst mit dem 80486 konnten Prozessoren auch Fließkommazahlen durch die Hardware verarbeiten. Vorher konnten sie nur mit Ganzzahlen umgehen und mussten Fließkommarechnungen (also mit Werten die auch Nachkommastellen haben) durch Softwareroutinen verarbeiten. So waren diese zwanzig bis 40-mal langsamer als die Hardwareverarbeitung.

Der zweite weg ist ein Benchmark also ein bestimmtes Programm das abläuft und dessen Laufzeit man misst. Hier ist es sehr schwer ein Benchmark zu finden, das auf allen Prozessoren läuft. Ich habe mich für einen sehr alten Benchmark entschieden, den Dhrystone, der die Ganzzahlperformance misst, dazu gibt es als Ergänzung den Whetstone der die Fließkommaperformance misst. Dhrystone gibt die Geschwindigkeit relativ zu einer VAX-780, einem populären Minicomputer von 1977 an. Deren Geschwindigkeit wurde zu 1 MIPS angesetzt, in der Realität führte die VAX aber nur 500.000 Instruktionen/s aus. Der Whetstone gibt an wie viele Fließkommarechnungen (MFLOPS - Millionen Fliekommaoperationen/Sekunde) der Rechner durchführt.

Zwei weitere Entwicklungen betreffen vor allem den praktischen Einsatz. War es bei der x86-Linie so, dass lange Zeit ein neuer Prozessor ohne neue Software schneller war als das vorhergehende so hat Intel seit dem Pentium 4 die CPU's auf maximale Fließkommaperformance getrimmt. Die früher SSE, heute AVX genannte Technologie bearbeitet 2015 bis zu 256 Bit gleichzeitig, das sind z.B. vier doppelt genaue oder vier einfach genaue Fließkommazahlen. Das Problem: Das klappt nur wenn die Problemstellung auch dies erlaubt. Viele Programm nutzen diese Fähigkeit nur wenig oder gar nicht. Ganzzahloperationen wie sie vor allem bei Büroanwendungen vorkommen werden so nicht schneller.

Der zweite Punkt der die Performance in der Praxis limitiert ist die Single-Thread Performance. Die meisten Programme die Anwender täglich nutzen, benötigen nur einen CPU-Kern. Wenn ein zweiter genutzt wird, z.B. bei Browsern die mehrere selten parallel oder verknüpfte Seiten im Hintergrund laden, dann ist der Gewinn für den Anwender eher klein, so wird die erste Seite die er aufruft z.B. nicht schneller aufgebaut und wenn er keinem Link folgt hat er auch nichts von den im Hintergrund geladenen selten. Die Single Thread Performance hängt vor allem von der Taktfrequenz ab und die ist seit der Pentium 4 im Jahre 2003 3 GHZ erreichte kaum noch angestiegen.

Neben der Untersuchung der einzelnen Prozessoren kann man auch statistische Methoden anwenden. Eine solche Methode ist es z.b. die durchschnittliche Leistung der verkauften Prozessoren als Maß zu nehmen. Ein sehr gutes Kriterium ist die Performance der Top 500, also der 500 leistungsfähigsten Rechner. Da diese Zahl auf 500 begrenzt ist wird diese Angabe nicht durch mehr verkaufte Prozessoren verfälscht (1975 wurden viel weniger Prozessoren als 2015 verkauft) sie ist trotzdem groß genug um statistisch sichere Aussagen zu treffen. von 1994 bis November 2014 stieg die Gesamtleistung aller Rechner von 1,1 TFlop auf 309,8 PFlop. Das entspricht einer Verdopplung alle 13,25 Monate. Allerdings ist der Zuwachs in den letzten drei Jahren (ab 2012) deutlich abgeflacht.

Typ Erscheinungsdatum addressierbarer Speicher RAM addressierbarer Speicher ROM Taktfrequenz Transistoren Technologie
4004 November 1971 0.64 KB 4 KB 0.108 MHz 2300 10 µ PMOS
4040 Herbst 1974 0.64 KB 8 KB 0.74 MHz 3000 10 µ PMOS

8 Bit Generation

Typ Erscheinungsdatum addressierbarer Speicher Taktfrequenz Transistoren Technologie
8008 April 1972 16 KB 0.2 MHz 3500 10 µ PMOS
8080 April 1974 64 KB 2,2.5,3.1 MHz 6000 6 µ PMOS
8085 März 1976 64 KB 2,3,5,6 MHz 6500 3 µ NMOS

16 Bit Generation

Typ Erscheinungsdatum addressierbarer Speicher Taktfrequenz Transistoren Technologie
8086 Juni 1978 1 MB 5,8,10 MHz 29000 3 µ NMOS
8088 Juni 1979 1 MB 5,8 MHz 29000 3 µ NMOS
80186 1982 1 MB 8,10,12 MHz ? ?
80286 Februar 1982 16 MB 6,10,12 MHz 134000 1.5 µ HMOS/CMOS

32 Bit Generation

386

Typ Erscheinungsdatum addressierbarer Speicher Taktfrequenz Transistoren Technologie
386 DX Oktober 1985 4 GB 16 MHz 275000 1.5 µ CMOS
386 DX Februar 1987 4 GB 20 MHz 275000 1.5 µ CMOS
386 DX April 1988 4 GB 25 MHz 275000 1.5 µ CMOS
386 DX April 1989 4 GB 33 MHz 275000 1.0 µ CMOS
386 SX Juni 1988 4 GB 16 MHz 275000 1.5 µ CMOS
386 SX Januar 1989 4 GB 20 MHz 275000 1.5 µ CMOS
386 SX Oktober 1992 4 GB 25,33 MHz 275000 1.5 µ CMOS
386 SL Oktober 1990 4 GB 20 MHz 855000 1.0 µ HCMOS
386 SL September 1991 4 GB 25 MHz 855000 1.0 µ HCMOS

486

Typ Erscheinungsdatum addressierbarer Speicher Taktfrequenz Transistoren Technologie
486 DX April 1989 4 GB 25 MHz 1.2 Millionen 1.0 µ HCMOS
486 DX Mai 1990 4 GB 33 MHz 1.2 Millionen 1.0 µ HCMOS
486 DX Juni 1991 4 GB 50 MHz 1.2 Millionen 0.8 µ HCMOS
486 SX September 1991 4 GB 16,20,25 MHz 1.185 Millionen 1.0 µ HCMOS
486 SX September 1992 4 GB 33 MHz 900000 0.8 µ HCMOS
486 DX2 Juni 1993 4 GB 40 MHz 1.2 Millionen 0.8 µ HCMOS
486 DX2 März 1992 4 GB 50 MHz 1.2 Millionen 0.8 µ HCMOS
486 DX2 August 1992 4 GB 66 MHz 1.2 Millionen 0.8 µ HCMOS
486 DX4 März 1994 4 GB 75,100 MHz 1.6 Millionen 0.6 µ HCMOS
486 SL November 1992 64 MB 20,25,33 MHz 1,4 Millionen 0.8 µ HCMOS

Pentium

Typ Erscheinungsdatum addressierbarer Speicher Taktfrequenz Transistoren Technologie
Pentium März 1993 4 GB 60,66 MHz 3.1 Millionen 0.8 µ HCMOS
Pentium Oktober 1994 4 GB 75 MHz 3.3 Millionen 0.6 µ HCMOS
Pentium März 1994 4 GB 90,100 MHz 3.3 Millionen 0.6 µ HCMOS
Pentium März 1995 4 GB 120 MHz 3.3 Millionen 0.6 µ HCMOS
Pentium Juni 1995 4 GB 133 MHz 3.3 Millionen 0.35 µ HCMOS
Pentium Januar 1996 4 GB 150,166 MHz 3.3 Millionen 0.35 µ HCMOS
Pentium Juni 1996 4 GB 200 MHz 3.3 Millionen 0.35 µ HCMOS
Pentium MMX Oktober 1996 4 GB 166,200 MHz 4.5 Millionen 0.35 µ HCMOS
Pentium MMX Juni 1997 4 GB 233 MHz 4.5 Millionen 0.35 µ HCMOS
Pentium MMX Mobile September 1997 4 GB 200,233 MHz 4.5 Millionen 0.25 µ HCMOS
Pentium MMX Mobile Januar 1998 4 GB 266 MHz 4.5 Millionen 0.25 µ HCMOS
Pentium MMX Mobile Juni 1998 4 GB 300 MHz 4.5 Millionen 0.25 µ HCMOS

Pentium Pro

Typ Erscheinungsdatum addressierbarer Speicher Taktfrequenz Transistoren Technologie
Pentium Pro November 1995 64 GB 150,166,180,200 MHz 5,5 Millionen 0.6 µ HCMOS
Pentium Pro 1MB Cache Januar 1994 64 GB 200 MHz 5.5 Millionen 0.35 µ HCMOS

Pentium II

Typ Erscheinungsdatum addressierbarer Speicher Taktfrequenz Transistoren Technologie
Pentium II Mai 1997 64 GB 233,266,300 7.5 Millionen 0.35 µ HCMOS
Pentium II Januar 1998 64 GB 333 MHz 7.5 Millionen 0.25 µ HCMOS
Pentium II April 1998 64 GB 350,400 MHz 7.5 Millionen 0.25 µ HCMOS
Pentium II August 1998 64 GB 450 MHz 7.5 Millionen 0.25 µ HCMOS
Pentium II Mobile April/September 1998 64 GB 233,266,300 MHz 7.5 Millionen 0.25 µ HCMOS
Pentium II Mobile Januar/Juni 1999 64 GB 266,300,333,366 MHz 27.4 Millionen 0.25 µ HCMOS
Pentium II Mobile Juni 1999 4 GB 450 MHz 27.4 Millionen 0.18 µ HCMOS

Pentium III

Typ Erscheinungsdatum addressierbarer Speicher Taktfrequenz Transistoren Technologie
Pentium III Februar 1999 64 GB 450,500 MHz 9.5 Millionen 0.25 µ HCMOS
Pentium III Mai 1999 64 GB 550 MHz 9.5 Millionen 0.25 µ HCMOS
Pentium III August 1999 64 GB 600 MHz 9.5 Millionen 0.25 µ HCMOS
Pentium III Oktober 1999 64 GB 600-733 MHz 28 Millionen 0.18 µ HCMOS
Pentium III Mai 2000 64 GB 850-1 GHz 28 Millionen 0.18 µ HCMOS
Celeron August 1998 64 GB 300MHz 19 Millionen 0.25 µ HCMOS
Celeron März 2000 64 GB 600 MHz 19 Millionen 0.18 µ HCMOS
Pentium III Mobile Oktober 1999 64 GB 400-500 MHz 28 Millionen 0.18 µ HCMOS
Pentium III Mobile Juli 2001 64 GB 866,933 MHz 28 Millionen 0.13 µ HCMOS
Pentium III Mobile Juli 2001 64 GB 1000,1130 MHz 44 Millionen 0.13 µ HCMOS
Pentium III Mobile UV September 2002 64 GB 866 MHz 55 Millionen 0.13 µ HCMOS

Pentium 4

Typ Erscheinungsdatum addressierbarer Speicher Taktfrequenz Transistoren Technologie
Pentium 4 November 2000 64 GB 1400,1500 MHz 42 Millionen 0.18 µ HCMOS
Pentium 4 April 2001 64 GB 1700 MHz 42 Millionen 0.18 µ HCMOS
Pentium 4 Juli 2001 64 GB 160,1800 MHz 42 Millionen 0.18 µ HCMOS
Pentium 4 August 2001 64 GB 1900 MHz 42 Millionen 0.18 µ HCMOS
Pentium 4 August 2001 64 GB 2000 MHz 55 Millionen 0.13 µ HCMOS
Pentium 4 Januar 2002 64 GB 2200 MHz 55 Millionen 0.13 µ HCMOS
Pentium 4 April 2002 64 GB 2400 MHz 55 Millionen 0.13 µ HCMOS
Pentium 4 August 2002 64 GB 2500-2800 MHz 55 Millionen 0.13 µ HCMOS
Pentium 4 November 2002 64 GB 3060 MHz 55 Millionen 0.13 µ HCMOS
Pentium 4 HT April 2003 64 GB 3000 MHz 125 Millionen 0.09 µ HCMOS
Pentium 4 HT Juni 2003 64 GB 3200 MHz 125 Millionen 0.09 µ HCMOS
Pentium 4 HT Februar 2004 64 GB 3400 MHz 125 Millionen 0.09 µ HCMOS
Pentium 4 HT Juni 2004 64 GB 3600 MHz 125 Millionen 0.09 µ HCMOS
Pentium 4 HT November 2004 64 GB 3800 MHz 169 Millionen 0.09 µ HCMOS
Pentium 4 HT Extreme November 2004 64 GB 3460 MHz 178 Millionen 0.09 µ HCMOS
Pentium 4 HT Extreme Februar 2005 64 GB 3730 MHz 169 Millionen 0.09 µ HCMOS
Pentium D (Smithfield) April 2005 64 GB 2660 MHz 230 Millionen 0.09 µ HCMOS
Pentium d (Prester) Januar 2006 64 GB 3066 MHz 376 Millionen 0,065 µ HCMOS

Zum Thema Computer ist auch von mir ein Buch erschienen. "Computergeschichte(n)" beinhaltet, das was der Titel aussagt: einzelne Episoden aus der Frühzeit des PC. Es sind Episoden aus den Lebensläufen von Ed Roberts, Bill Gates, Steve Jobs, Stephen Wozniak, Gary Kildall, Adam Osborne, Jack Tramiel und Chuck Peddle und wie sie den PC schufen.

Das Buch wird abgerundet durch eine kurze Erklärung der Computertechnik vor dem PC, sowie einer Zusammenfassung was danach geschah, als die Claims abgesteckt waren. Ich habe versucht ein Buch zu schreiben, dass sie dahingehend von anderen Büchern abhebt, dass es nicht nur Geschichte erzählt sondern auch erklärt warum bestimmte Produkte erfolgreich waren, also auf die Technik eingeht.

Die 2014 erschienene zweite Auflage wurde aktualisiert und leicht erweitert. Die umfangreichste Änderung ist ein 60 Seiten starkes Kapitel über Seymour Cray und die von ihm entworfenen Supercomputer. Bedingt durch Preissenkungen bei Neuauflagen ist es mit 19,90 Euro trotz gestiegenem Umfang um 5 Euro billiger als die erste Auflage. Es ist auch als e-Book für 10,99 Euro erschienen.

Mehr über das Buch auf dieser eigenen Seite.

Hier geht's zur Gesamtübersicht meiner Bücher mit direkten Links zum BOD-Buchshop. Die Bücher sind aber auch direkt im Buchhandel bestellbar (da ich über sehr spezielle Themen schreibe, wird man sie wohl kaum in der Auslage finden) und sie sind natürlich in den gängigen Online-Plattformen wie Amazon, Libri, Buecher.de erhältlich.

Core 2

Typ Erscheinungsdatum addressierbarer Speicher Taktfrequenz Transistoren Technologie
Core 2 7.6.2006 64 GB   42 Millionen 0.18 µ HCMOS
Pentium 4 April 2001 64 GB 1700 MHz 42 Millionen 0.18 µ HCMOS
Pentium 4 Juli 2001 64 GB 160,1800 MHz 42 Millionen 0.18 µ HCMOS
Pentium 4 August 2001 64 GB 1900 MHz 42 Millionen 0.18 µ HCMOS
Pentium 4 August 2001 64 GB 2000 MHz 55 Millionen 0.13 µ HCMOS
Pentium 4 Januar 2002 64 GB 2200 MHz 55 Millionen 0.13 µ HCMOS
Pentium 4 April 2002 64 GB 2400 MHz 55 Millionen 0.13 µ HCMOS
Pentium 4 August 2002 64 GB 2500-2800 MHz 55 Millionen 0.13 µ HCMOS
Pentium 4 November 2002 64 GB 3060 MHz 55 Millionen 0.13 µ HCMOS
Pentium 4 HT April 2003 64 GB 3000 MHz 125 Millionen 0.09 µ HCMOS
Pentium 4 HT Juni 2003 64 GB 3200 MHz 125 Millionen 0.09 µ HCMOS
Pentium 4 HT Februar 2004 64 GB 3400 MHz 125 Millionen 0.09 µ HCMOS
Pentium 4 HT Juni 2004 64 GB 3600 MHz 125 Millionen 0.09 µ HCMOS
Pentium 4 HT November 2004 64 GB 3800 MHz 169 Millionen 0.09 µ HCMOS
Pentium 4 HT Extreme November 2004 64 GB 3460 MHz 178 Millionen 0.09 µ HCMOS
Pentium 4 HT Extreme Februar 2005 64 GB 3730 MHz 169 Millionen 0.09 µ HCMOS
Pentium D (Smithfield) April 2005 64 GB 2660 MHz 230 Millionen 0.09 µ HCMOS
Pentium d (Prester) Januar 2006 64 GB 3066 MHz 376 Millionen 0,065 µ HCMOS

© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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