Mit Google fortfahren
Dein Smartphone kann Fotos bearbeiten, Spiele anzeigen und dir den Weg zeigen. In seinem Inneren arbeiten winzige Bauteile zusammen. Über viele Jahrzehnte wurden diese Bauteile immer kleiner und zahlreicher.
Was du hier lernst
- Du erklärst das Mooresche Gesetz mit eigenen Worten.
- Du weißt, was ein Transistor und ein Chip sind.
- Du unterscheidest Transistoranzahl und Rechengeschwindigkeit.
- Du kennst Gründe, warum die Entwicklung heute schwieriger geworden ist.
Winzige Schalter im Chip
Ein Transistor ist ein winziger elektronischer Schalter. Er kann elektrischen Strom steuern. Computer nutzen sehr viele solcher Schalter, um mit den Zuständen an und aus zu arbeiten.
Ein Chip ist ein kleines Bauteil aus Halbleitermaterial. Auf ihm sitzen viele Transistoren und ihre Verbindungen. Ein Halbleiter ist ein Material, das Strom unter bestimmten Bedingungen leiten kann. Chips stecken zum Beispiel im Handy, Laptop und in der Spielekonsole.
Stell dir einen Lichtschalter vor: Er ist entweder aus oder an. Ein Transistor kann ebenfalls zwischen zwei Zuständen wechseln. Ein einzelner Transistor führt noch keine App aus. Millionen oder Milliarden Transistoren zusammen können aber rechnen, Daten speichern und Bilder erzeugen.
Transistoren sind die winzigen Schalter eines Computers. Ein Chip bündelt sehr viele davon auf kleiner Fläche.
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Die Beobachtung von Gordon Moore
1965 beobachtete der Ingenieur Gordon Moore die Entwicklung von Chips. Er sah, dass Hersteller mit der Zeit viel mehr Bauteile auf ähnlich kleiner Chipfläche unterbringen konnten.
Das Mooresche Gesetz ist eine Beobachtung und Faustregel. Eine Faustregel hilft beim groben Einschätzen, muss aber nicht immer exakt stimmen. Historisch sagte sie vereinfacht: Die Zahl der Transistoren auf Chips verdoppelte sich über lange Zeit ungefähr alle zwei Jahre. Das ist keine feste Taktung, die heute für jeden Chip gilt.
Das Mooresche Gesetz beschreibt einen langjährigen Trend der Chiptechnik: Die Zahl der Transistoren auf Chips stieg über viele Jahre sehr stark an und verdoppelte sich näherungsweise in regelmäßigen Abständen.
Eine Verdopplung bedeutet nicht, dass immer gleich viele Transistoren dazukommen. Die vorhandene Menge wird jeweils mit zwei multipliziert. Deshalb wächst die Zahl schnell.
Ein Chip hat zuerst 100 Transistoren. Nach einer Verdopplung sind es 200. Nach der nächsten sind es 400. Danach 800.
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Warum mehr Transistoren helfen können
Je kleiner die Bauteile werden, desto mehr passen auf dieselbe Fläche. Das nennt man Miniaturisierung: Technische Bauteile werden kleiner gebaut.
Mehr Transistoren geben Entwicklern mehr Möglichkeiten. Sie können zum Beispiel Speicher in einen Chip einbauen oder zusätzliche Rechenwege ergänzen. Ein Prozessor ist der Teil eines Computers, der Befehle verarbeitet und Berechnungen ausführt. Ein Prozessorkern ist ein Rechenteil innerhalb eines Prozessors. Mehrere Kerne können bei geeigneten Programmen Aufgaben gleichzeitig bearbeiten.
Du sollst zehn Bilder sortieren. Allein brauchst du länger als mit vier Personen, die sich die Bilder aufteilen. Ähnlich können mehrere Prozessorkerne Arbeit verteilen. Das klappt aber nur gut, wenn sich die Aufgabe wirklich aufteilen lässt.
Mehr Transistoren können einen Chip vielseitiger, schneller oder sparsamer machen. Sie garantieren aber keine bestimmte Verbesserung. Manche Transistoren dienen vor allem dem Speicher oder der Steuerung.
Viele Transistoren schaffen Möglichkeiten. Wie schnell ein Gerät arbeitet, hängt auch von der Bauweise des Chips, den Programmen, dem Speicher und der Energie ab.
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Warum die Verdopplung schwieriger wird
Transistoren können nicht unbegrenzt kleiner werden. Werden Strukturen extrem klein, entstehen technische Probleme. Ein Problem ist Wärme: Beim Arbeiten wird Energie in Wärme umgewandelt. Diese Wärme muss aus dem Gerät heraus.
Außerdem wird die Herstellung sehr teuer und kompliziert. Die Fabriken brauchen präzise Maschinen und viele Tests. Deshalb dauert es heute oft länger, neue Chipgenerationen zu entwickeln.
Auch die Physik setzt Grenzen. Bei extrem kleinen Strukturen kann Strom an Stellen fließen, an denen er nicht fließen soll. Solche Effekte machen Chips schwerer planbar und können Energie verschwenden.
Ein Klassenzimmer lässt sich nicht endlos mit immer kleineren Tischen füllen. Irgendwann braucht jede Person noch Platz zum Sitzen und Bewegen. Auf einem Chip ist es ähnlich: Für immer kleinere Bauteile braucht man immer genauere Technik und muss neue Probleme lösen.
Das Mooresche Gesetz ist kein Versprechen für die Zukunft. Kleinere Transistoren werden durch Wärme, physikalische Grenzen und hohe Kosten immer schwieriger.
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Fortschritt geht trotzdem weiter
Wenn das klassische Verkleinern langsamer wird, suchen Entwickler andere Wege. Sie verbessern die Bauform von Chips, verbinden mehrere Chips eng miteinander oder entwickeln sparsamere Programme.
Auch Spezialchips werden wichtiger. Das sind Chips, die für bestimmte Aufgaben besonders passend gebaut sind. Ein Spezialchip für Grafiken oder Bilderkennung muss nicht genauso aufgebaut sein wie ein Chip für Textverarbeitung. Dadurch kann ein Gerät bestimmte Aufgaben effizienter lösen, selbst wenn sich die Transistorzahl nicht mehr im alten Tempo verdoppelt.
Ein Taschenmesser kann viele Dinge ein bisschen. Eine gute Schere schneidet Papier aber besser. Genauso können Spezialchips bestimmte Aufgaben besonders gut lösen, etwa Grafiken berechnen oder Bilder erkennen.
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Zusammenfassung
Das Mooresche Gesetz beschreibt eine lange beobachtete Entwicklung der Chiptechnik. Über viele Jahre stieg die Zahl der Transistoren auf Chips ungefähr im Rhythmus von Verdopplungen.
Mehr Transistoren können Computer leistungsfähiger und vielseitiger machen. Sie bedeuten aber nicht automatisch doppelte Geschwindigkeit. Heute bremsen Wärme, physikalische Grenzen und hohe Kosten die alte Entwicklung. Trotzdem geht die Technik weiter, zum Beispiel durch neue Chipbauformen, mehrere Kerne und Spezialchips.