Het einde van de Wet van Moore

De P6-microprocessor zal zijn voorganger de Pentium in prestaties ruimschoots overtreffen. Maar het einde van deze trend van steeds betere chips komt in zicht.

Chipsfabrikant Intel introduceert in oktober een nieuwe microprocessor voor personal computers. De P6, zoals de chip wordt aangeduid, is de opvolger van de Pentium, Intels snelste processor, die in 1993 werd uitgebracht. De P6 en de Pentium zijn de jongste vertegenwoordigers van een lijn die in 1978 begon met de 8086-processor, de chip die het brein vormde van de eerste IBM pc. De nazaten van de 8086 zitten nu in negentig procent van alle pc's op de wereld. Rond de jaarwisseling verschijnt de P6 in nieuwe modellen van enkele belangrijke pc-fabrikanten.

De P6 zal de Pentium in prestaties ruimschoots overtreffen. De eerste versie van de nieuwe chip kan 250 miljoen instructies per seconde (MIPS) verwerken, ongeveer even veel als de snelste uitgave van de Pentium. Nieuwe versies van de P6, die volgend jaar en in 1997 uitkomen, zullen de 400 MIPS overschrijden.

De prestatieverbetering die de P6 ten opzichte van zijn voorganger biedt, volgt een trend die in de computerindustrie bekend staat als de Wet van Moore. Gordon Moore, een van de oprichters van Intel, constateerde dat microchips iedere twee jaar een verdubbeling aan prestaties lieten zien. Verantwoordelijk voor deze ontwikkeling is de voortdurende miniaturisering bij het vervaardigen van chips, waardoor steeds meer transistors - minuscule schakelaars - op een klein oppervlak kunnen worden 'samengeperst'. Op de P6 zitten er 5,5 miljoen op drie vierkante centimeter, de even grote 8086 moest het met 29.000 transistors doen. De P6 is dan ook ongeveer 750 keer zo snel als de 8086.

De ontwikkeling van de microchip is de belangrijkste technologische gebeurtenis van de afgelopen decennia. Altijd heeft de computerindustrie zich optimistisch getoond over voortzetting van de trend tot miniaturisering. Maar sinds een half jaar voeren sombere geluiden de boventoon. Onlangs kondigde Gordon Moore zelf het eind van zijn wet aan: de miniaturisering is zo ver voortgeschreden dat de fysieke limiet in zicht komt.

Het knelpunt zit in het produktieproces. Computerchips worden vervaardigd door middel van een proces dat fotolithografie wordt genoemd: door een masker waarop het patroon van de gewenste chipstructuur is aangebracht valt licht op een siliciumschijf (een wafer) die behandeld is met lichtgevoelig materiaal. Vervolgens wordt de siliciumschijf gewassen met een chemische substantie, waardoor de microchip structuur krijgt.

De meest geavanceerde lithografische apparatuur kan nu details etsen ter grootte van 0,35 micrometer (een micrometer is een miljoenste meter). De komende jaren zal dat verkleind worden tot 0,25 micrometer. Maar bij nog kleinere afmetingen ontstaan er problemen: de structuren krijgen vergelijkbare afmetingen als de golflengte van de lichtstralen. Dat impliceert dat er een eind komt aan het maken van steeds krachtiger microchips. Nu al hebben de producenten van massageheugens problemen om na het jaar 2000 de 'gigabit-generatie' op de markt te brengen, chips met een inhoud van een miljard informatie-eenheden. Om ze te kunnen maken moeten structuren geëtst worden met details tussen 0,1 en 0,2 micrometer. In laboratoria lukt dit nog wel door gebruik te maken van peperdure apparatuur, maar voor massaproduktie is dit een onhaalbare kaart.

Ook microprocessors krijgen het moeilijk. De Pentium en de P6 bevatten details van respectievelijk 0,6 en 0,35 micrometer. Bij het produceren van een volgende generaties komt de grens van 0,25 micrometer in beeld. Gordon Moore meent dat de prestatiecurve bij microprocessors nog hooguit drie generaties doorloopt.

De chipsindustrie is inmiddels naarstig op zoek naar alternatieven. Eénonderzoeksrichting is die waarbij licht met een kortere golflengte wordt gebruikt. Bij het fotolithografische proces wordt ultraviolet licht gebruikt met een golflengte van 0,248 micrometer. In het MIT Lincoln Laboratory is onlangs geëxperimenteerd met uv-licht van 0,193 micrometer. Ook met röntgenstralen, die nog kortere golflengten hebben, zijn proeven genomen. Probleem is dat het nog onduidelijk of deze processen geschikt zijn voor massaproduktie.

Ook zijn er andere obstakels. Op een moderne microchip is de concentratie aan transistors zo groot dat de warmteontwikkeling te hoog is. De eerste versies van de Pentium moesten met kleine ventilatortjes worden gekoeld. Verder vergen research en produktie van nieuwe generaties chips exponentieel stijgende investeringen. Intel wordt nu al gedwongen zelf nieuwe toepassingen van de pc te ontwikkelen, zoals videoconferencing, om zo de kosten van zijn nieuwe processors sneller terug te verdienen.

Een technologische doorbraak lijkt nodig om de zaak weer vlot te trekken. Chipsontwerpers hebben hun hoop gevestigd op de optische computer. In testopstellingen zijn al optische schakelingen gecreëerd door minuscule lasers aan en uit te zetten. Een voordeel van licht is dat de snelheid hoger is dan die van elektronen in een circuit. Maar welk bedrijf wil investeren in het commercialiseren van onbewezen technologie?

Het komt er op neer dat de generaties microchips over enkele jaren elkaar minder snel zullen opvolgen. Dat geeft computergebruikers een adempauze maar heeft technisch en economisch onprettige gevolgen. Het ontwikkelen van nieuwe toepassingen voor pc's, zoals spraakherkenning en patroonherkenning, zal trager verlopen, evenals het verbeteren en gebruiksvriendelijker maken van bestaande toepassingen. Daarnaast betekent het een klap voor de chipsindustrie: tegenover toenemende onderzoeksinspanningen staan minder opbrengsten.