Slutet på Moores lag?

Ur dagens perspektiv verkar det tydligt att Gordon Moore hade tur. Redan 1965, Elektronik tidningen bad Moore - då forskningschef för elektronikpionjären Fairchild Semiconductor - att förutsäga framtiden för mikrochipsindustrin. På den tiden var branschen i sin linda; Intel, nu världens största chiptillverkare, skulle inte grundas (av bland annat Moore) förrän om tre år. Eftersom få chips hade tillverkats och sålts hade Moore lite data att gå på. Icke desto mindre hävdade han självsäkert att ingenjörer skulle kunna klämma in ett ständigt ökande antal elektroniska enheter på mikrochips. Faktum är att han gissade att antalet ungefär skulle fördubblas varje år - en exponentiell ökning som har kommit att kallas Moores lag.

Till en början var det få som uppmärksammade Moores förutsägelse. Moore själv erkände att han inte lade så mycket på det - han hade bara försökt komma över idén [att] detta var en teknik som hade en framtid. Men händelserna visade att han hade rätt. 1965, när Moore skrev sin artikel, fanns världens mest komplexa chip precis i hans labb på Fairchild: det hade 64 transistorer. Intels nya modell Pentium III, som introducerades i oktober förra året, innehåller 28 miljoner transistorer. Den ihållande explosionen av mikrochips komplexitet som fördubblas år efter år, decennium efter decennium, skriver Lillian Hoddeson och Michael Riordan i Crystal Fire, deras historia om transistorn, har ingen lämplig parallell eller analog i normal mänsklig erfarenhet.

Effekten av Moores lag på det dagliga livet är uppenbar. Det är därför dagens persondator på 3 000 USD kommer att kosta 1 500 USD nästa år och är föråldrad året efter. Det är därför de barn som växte upp med att spela Pong i spelhallar har barn som växer upp med att spela Quake på Internet. Det är därför ordbehandlingsprogrammet som fick plats på två disketter för ett decennium sedan nu fyller upp en halv CD-ROM-i själva verket förklarar det varför disketter i sig nästan har ersatts av CD-ROM, CD-R och CD- RWs.

Men dessa exempel, hur slående de än är, kan underskatta betydelsen av Moores lag. USA upplever den längsta ekonomiska boomen sedan 1850-talet, när den federala regeringen först började samla in ekonomisk statistik systematiskt. Den nuvarande blandningen av stadig tillväxt och låg inflation är så ovanligt gynnsam att många ekonomer tror att nationen genomgår en fundamental förändring. Och den enskilt viktigaste faktorn som driver förändringen, säger dessa ekonomer, är den obevekliga ökningen av chipkraft. Det som ibland kallas 'den ekonomiska boomen i Clinton', säger Robert Gordon, ekonom vid Northwestern University, är till stor del en återspegling av Moores lag. Faktum är att den senaste tidens acceleration i produktivitet är åtminstone hälften på grund av förbättringarna i datorproduktiviteten.

Om Gordon har rätt är det olyckligt att precis som ekonomer börjar förstå vikten av Moores lag, börjar ingenjörer säga att den riskerar att försvinna.

Den digitala elektronikens tidsålder brukar sägas ha börjat 1947, när ett forskarlag vid Bell Laboratories designade den första transistorn. Men Moores lag, den digitala erans drivkraft, är knuten till ett annat, mindre känt landmärke: uppfinningen av den integrerade kretsen. John Bardeen, Walter Brattain och William Shockley vann ett Nobelpris för transistorn. Jack Kilby, Texas Instruments ingenjör som kom med den integrerade kretsen, vann ingenting. Men på många sätt var det hans skapelse, inte transistorn, som mest skakade världen.

I maj 1958 anställdes Kilby av Texas Instruments, företaget som banade väg för kiseltransistorn. Företaget hade en masssemesterpolicy; nästan alla kastades ut från kontoret de första veckorna i juli. Som nyanställd hade Kilby ingen ledighet. Han befann sig nästan ensam i den öde växten.

Transistorer, dioder, kondensatorer och andra numera välkända elektroniska enheter hade precis uppfunnits, men redan några framsynta människor, många av dem i Pentagon, funderade på att surra ihop dessa individuella komponenter till mer komplexa kretsar. Texas Instruments försökte ansluta till arméns Micro-Module-program, där enskilda komponenter byggdes på små wafers och staplades som så många pokermarker. Kilby tyckte att det här tillvägagångssättet var löjligt - en lump, i ingenjörsslang. När en modul var tillräckligt stor för att göra något intressant, skulle stapeln med wafers vara löjligt stor och besvärlig.

Den 24 juli - exakt en månad efter att Bell Labs firade 10-årsdagen av den offentliga avtäckningen av transistorinspirationen besökte Kilby i den tomma fabriken. Istället för att koppla ihop komponenter i moduler, skrev han i sin labbanteckningsbok, att ingenjörer borde sprida motstånd, kondensatorer och transistorer och dioder på en enda skiva kisel. Klassiska uppfinnares berättelser innehåller vanligtvis ett kapitel om hur ledningen ignorerar uppfinnarens briljanta nya idé. På Texas Instruments bad Kilbys chef omedelbart honom att bygga en prototyp. I september hade Kilby satt ihop en. Det var enkelt och grovt, men det fungerade. Företaget ansökte om patent på sin revolutionerande Solid Circuit i februari 1959.

Två veckor före ansökningen kom en liknande idé upp för Robert Noyce, ingenjör på Fairchild Semiconductor, en av de första nystartade teknikföretagen i Silicon Valley. (Noyce och Moore skulle senare lämna Fairchild för att grunda Intel.) Medan Kilby hade kopplat ihop komponenterna i sin integrerade krets med guldtrådar och löd, insåg Noyce att anslutningarna kunde målas på kislet med en sorts stencil - en mikrolitografi, för att vara exakt. Noyces chefer, som Kilbys, var entusiastiska. Och i juli ansökte Fairchild också om ett patent.

Rättstvister uppstod oundvikligen. Det varade i 10 år och slutade med att företagen slogs till oavgjort. Men medan advokaterna argumenterade, sprang båda företagen för att skapa allt mer sofistikerade integrerade kretsar, som de kom att kallas. Det första chippet dök upp på marknaden 1961, till mindre än allmänt bifall; ingenjörer, vana vid att designa sina egna kretsar, betraktade till en början dessa prefabricerade prylar som irritationsmoment. Men företagen fortsatte. År 1964 hade vissa chips så många som 32 transistorer; När Moore skrev sin artikel 1965 hade ett chip i hans FoU-labb dubbelt så många.

One component (1959), 32 (1964), 64 (1965)-Moore satte dessa siffror på en graf och kopplade ihop prickarna med en linje. Komplexiteten [av billiga integrerade kretsar] har ökat med en hastighet av ungefär en faktor två per år, skrev han. Sedan tog han fram en linjal och förlängde linan in i framtiden. Den seglade från toppen av hans graf och in i stratosfären. På längre sikt ..., hävdade Moore, finns det ingen anledning att tro att [ökningstakten] inte kommer att förbli konstant i minst 10 år. Med andra ord, de företag som då arbetade med att skapa mikrochips med 64 komponenter skulle inom ett decennium tillverka mikrochips med över 65 000 komponenter - ett hopp på mer än tre storleksordningar.

Moores lag var naturligtvis inte en naturlag. Det var mer som en ingenjörs tumregel, som fångade mönstret Moore hade urskiljt i de tidiga uppgifterna om mikrochipproduktion. Men lag eller nej, 1975 designade och tillverkade ingenjörer chips tusen gånger mer komplexa än vad som hade varit möjligt bara 10 år tidigare - precis som Moore hade förutspått. Det året återvände Moore till sin förutsägelse vid det årliga International Electron Devices Meeting av Institute of Electrical and Electronics Engineers, den professionella föreningen för elektroingenjörer. Moore erkände den ökande svårigheten med chiptillverkningsprocessen och ändrade sin lag något. Från den tidpunkten, sa han, skulle antalet enheter på ett chip fördubblas vartannat år. Denna förutsägelse visade sig också vara korrekt. Idag delar vissa människor på skillnaden och säger att mikrochips komplexitet kommer att fördubblas var 18:e månad; andra människor använder löst termen Moores lag på alla snabbt förbättrande aspekter av datoranvändning, såsom minneslagring eller bandbredd.

Trots suddigheten kring exakt vad Moores lag säger, är dess kärna obestridlig: Datorpriserna har fallit även när datorkapaciteten har stigit. Vid första anblicken är detta föga förvånande. Även om digitala gurus ofta förebådar tillkomsten av bättre produkter till lägre kostnader som en oöverträffad välsignelse, är det i själva verket en ekonomisk vardag. En bil från 1906, som med dagens standarder knappt fungerar, kostade då motsvarande 52 640 $, enligt en studie av Daniel Raff från Wharton School of Business och Manuel Trajtenberg från Tel Aviv University. Ändå har de digitala experterna en poäng. Förbättringarna av datorchips har varit ett oöverträffat snabbt manna från himlen, enligt Erik Brynjolfson, ekonom vid MIT:s Sloan School of Management. Det är den här lyckliga kombinationen av geometri och fysik och ingenjörskonst, säger han. Den tekniska innovationen är normal, men takten med vilken den sker är högst ovanlig.

Dras av snabbt förbättrade produkter till snabbt fallande priser, har USA:s utgifter för datorer ökat under de senaste tjugo åren med ett genomsnittligt årligt klipp på 24 procent - en egen Moores lag. 1999 spenderade amerikanska företag 220 miljarder dollar på hårdvara och kringutrustning, mer än de investerade i fabriker, fordon eller någon annan form av hållbar utrustning. Datorer blev så allestädes närvarande och kraftfulla att det blev vanligt att höra påståendet att nationen var mitt uppe i en digital revolution. Moores lag, hävdar förstårna, har skapat en ny ekonomi.

Kanske så, men under ett antal år verkade bevisen inte finnas där. Liksom alla andra hade ekonomer upptäckt underverken med de billiga beige lådorna som nu ligger på deras skrivbord. De fortsatte att vänta på att se fördelarna med datoranvändning dyka upp i den statliga statistiken över inkomster, vinster och produktivitet. Men det hände inte. Under hela 1980-talet och första delen av 1990-talet verkade de enorma nationella investeringarna i digital teknik nästan inte ge någon avkastning; Moores lag ökade vinsten för chiptillverkarna, men knappast någon annan. Vi ser datoråldern överallt förutom i produktivitetsstatistiken, konstaterade den nobelprisbelönte MIT-ekonomen Robert M. Solow 1987.

De stora pusselutgifterna med liten uppenbar nytta blev känd som produktivitetsparadoxen. Inte bara var dessa nya tekniska underverk inte användbara, hävdade vissa forskare, de kan faktiskt vara skadliga. Sedan 1980 har bara tjänsteindustrin spenderat mer än en biljon dollar på hårdvara och mjukvara. Ändå föreslog Stephen S. Roach, chefsekonom på Morgan Stanley, 1991 att detta bara hade förvandlat tjänstesektorn från en industri som kännetecknas av rörliga arbetskostnader till en som alltmer dominerades av fasta hårdvarukostnader. Den minst produktiva delen av ekonomin, hävdade Roach, [är] den mest utrustade med högteknologiskt kapital - ju fler datorer, med andra ord, desto mindre värde.

Titta på hotellkassorna, säger Lester Thurow, en av Brynjolfsons kollegor på Sloan. De är helt datoriserade nu, men ingen verkar göra något snabbare. Samma sak i snabbköpet - du står i kö lika länge som du brukade vänta. För Thurow verkar tjänstesektorn, som är nästan tre fjärdedelar av ekonomin, vid första anblicken ha svalt enorma mängder datorkraft spårlöst.

Ingen kunde förstå det, säger Hal Varian, ekonom vid School of Information Management Systems vid University of California, Berkeley (se What Are the Rules, Anyway? TR mars/april 1999). På ytan sa statistiken som kom ut från regeringen att denna massiva investering var meningslös. Tidigare har teknisk innovation nästan undantagslöst ökat levnadsstandarden - titta på elektricitet, järnvägar, telefoner, antibiotika. Och här var Moores lag - innovation av oöverträffad snabbhet - som inte verkade skapa något för mänskligt välbefinnande. Men om datorer hade så lite utdelning, varför skyndade alla sig att köpa de förbannade sakerna?

För människor som Varian är det som hände på Federal Trade Commission ett exempel på vad som borde ha pågått över hela landet. I mitten av 1980-talet gav FTC en persondator till alla anställda i Bureau of Economics, dess interna ekonomiska rådgivande styrelse. Datorerna hade två effekter, minns en före detta FTC-ekonom. Under de första tre månaderna tillbringade ekonomerna långa timmar med att oroa sig för sina typsnitt – det vill säga för att få sina brev och anteckningar att se vackra ut. Ett halvår senare blev de av med stenopoolen.

För ekonomer är detta ett läroboksexempel på ökad produktivitet. Myndigheten producerade samma antal rapporter med färre personer, vilket innebär att produktionen per capita av ekonomi var högre. (Mer exakt är detta ett exempel på ökad arbetsproduktivitet; ekonomer använder också ett annat, mer komplext mått, multifaktorproduktivitet, men för de flesta ändamål kan de två behandlas tillsammans.)

Spridd över hela ekonomin innebär högre produktivitet högre löner, högre vinster, lägre priser. Produktivitetsökningar är inte nödvändigtvis smärtfria, som de avskedade stenograferna vid FTC fick reda på. Men historien visar att arbetare som fördrivits av produktivitetshöjande teknik vanligtvis hittar andra, bättre jobb. I det långa loppet är det viktigt att höja produktiviteten för att öka den nationella levnadsstandarden. I någon mening, säger Thurow, om du bara kunde veta en siffra om en ekonomi, skulle du vilja veta nivån och tillväxttakten för produktiviteten, eftersom det ligger till grund för allt annat.

Efter andra världskriget tillbringade USA årtionden med att produktiviteten växte med en genomsnittlig takt på nästan 3 procent per år, ungefär tillräckligt för att fördubbla levnadsstandarden varje generation. 1973 avtog dock produktivitetstillväxten plötsligt till 1,1 procent, långt under dess tidigare nivå. Ingen vet varför. Nedgången i produktiviteten efter 1973, säger Jack Triplett från Brookings Institute, är ett pussel som hittills har motstått alla försök till lösning.

Effekterna av nedgången, tyvärr, är välkända. I den långsammare takten fördubblas levnadsstandarden på tre generationer, inte en. Resultatet blev stagnation. Löntagarna vann fortfarande höjningar, men arbetsgivarna, som inte kunde absorbera de extra kostnaderna med högre produktivitet, överförde helt enkelt höjningen till högre priser, vilket upphävde fördelen med högre löner. Föga överraskande, säger ekonomer, var de improduktiva 1970- och 1980-talen år av inflation, lågkonjunktur, arbetslöshet, sociala konflikter och enorma budgetunderskott.

1995 ändrade produktiviteten riktning igen. Utan någon fanfar började den plötsligt stiga med ett årligt genomsnittligt klipp på nästan 2,2 procent - en stor förbättring från 1980-talet, men fortfarande mindre än 1960-talet. Till en början betraktade de flesta forskare ökningen som en tillfällig blip. Men efter hand blev många övertygade om att det var långvarigt. Det var verkligen något vi diskuterade mycket vid [Federal Reserve Board] möten, säger Alice Rivlin, en Brookings-ekonom som nyligen lämnade styrelsen. Du vet, 'Är den här ökningen verklig?' Vid det här laget tror jag att de flesta ekonomer tror att det är det. Implikationerna, enligt hennes uppfattning, är enorma: Förnyad produktivitetstillväxt innebär att fler människor är mer benägna att uppnå sina drömmar.

Även om Rivlin är med och leder en Brookings-studie för att fastställa orsaken till den nya produktivitetsboomen, tror hon och många andra ekonomer att det förmodligen beror på datoriseringen. Moores lag, säger hon och skrattar, kan äntligen löna sig.

Det finns två skäl till denna tro, säger Alan S. Blinder, ekonom vid Princeton University. För det första skedde accelerationen i produktivitet samtidigt med en plötslig, ytterligare minskning av datorkostnaderna. För det andra är slumpen att produktiviteten steg precis när företagen tog till sig Internet helt enkelt för stor för att ignoreras.

I mitten av 90-talet, säger Blinder, flyttade hastigheten för datordeflation från minus 10 procent till minus 25 procent per år. Och även om datorindustrin är en liten bråkdel av BNP - mindre än 2 procent - har minskningen av kostnaderna varit så kraftig att den som en aritmetisk fråga slår en märkbar bit utanför det totala prisindexet. Faktum är att de senaste nedgångarna i priset på datorer är så stora att Gordon, ekonomen på Northwestern, hävdar att de till stor del förklarar produktivitetsuppgången - förutom när det gäller tillverkning av varaktiga varor, är ekonomin stillastående.

Gordons argument är för extremt, enligt Chris Varvares, ordförande för Macroeconomic Advisers, ett ekonomiskt modellföretag i St. Louis. Varför skulle företag investera i all denna utrustning om de inte hade förväntningar på avkastning? Och eftersom det har pågått så länge, varför skulle de inte ha verkligheten? Istället, säger han, lönar sig äntligen datorer och internet på ett sätt som statistiken kan mäta. När banker introducerar automater visas inte fördelarna i statlig statistik. Bankkunder har det bättre, eftersom de kan ta ut och sätta in pengar när som helst och på många fler ställen. Men banken själv gör fortfarande vad den gjorde tidigare. Fördelarna fångas upp av konsumenterna och dyker inte upp i slutresultatet, säger Varvares. Först nyligen, hävdar han, slog datorer en slags kritisk massa; arbetare hade så mycket digital kraft på sina skrivbord att den musklade sig in i statistiken.

Alla ekonomer håller inte med. Du skulle vilja kunna berätta en historia för dig själv om hur något kan vara sant, säger Thurow. Menar vi i det här fallet att folk plötsligt kom på hur man använder datorer 1996? Nej, säger andra ekonomer, men företag behöver tid för att anpassa sig till ny teknik. Det tog mer än två decennier för elektricitet att påverka produktiviteten, enligt Stanford Universitys ekonomiska historiker Paul A. David. Datorer stötte helt enkelt på samma fördröjning. Men vid det här laget, säger Brynjolfson, är datorer den viktigaste enskilda tekniken för att förbättra levnadsstandarden. Så länge Moores lag fortsätter bör vi fortsätta att få det bättre. Det kommer att göra våra barns liv bättre.

Explosionen av datorkraft har blivit så viktig för framtiden, säger dessa ekonomer, att alla borde vara oroliga över de senaste rapporterna om att Moores lag kan komma att stanna.

Slutet på Moores lag har förutspåtts så många gånger att rykten om dess bortgång har blivit ett branschskämt. De aktuella larmen kan dock vara annorlunda. Att klämma ihop fler och fler enheter på ett chip innebär att man tillverkar funktioner som blir mindre och mindre. Branschens nyaste chips har pitches så små som 180 nanometer (miljarddelar av en meter). För att tillgodose Moores lag, enligt den tvååriga färdplanen som utarbetades förra året för Semiconductor Industry Association, måste tonhöjderna krympa till 150 nanometer år 2001 och till 100 nanometer år 2005. Tyvärr, medgav färdkartan, för att nå dit kommer industrin att måste övervinna grundläggande problem som det inte finns några kända lösningar på. Om lösningar inte upptäcks snabbt, hävdade Paul A. Packan, en respekterad forskare vid Intel, i september förra året i tidskriften Science, att Moores lag kommer att vara i allvarlig fara.

Packan identifierade tre huvudutmaningar. Den första involverade användningen av dopämnen, föroreningar som blandas in i kisel för att öka dess förmåga att hålla områden med lokal elektrisk laddning. Även om transistorer kan krympa i storlek, måste de mindre enheterna fortfarande behålla samma laddning. För att göra det måste kislet ha en högre koncentration av dopningsatomer. Tyvärr börjar dopningsatomerna över en viss gräns att klumpa ihop sig och bildar kluster som inte är elektriskt aktiva. Du kan inte öka koncentrationen av dopningsmedel, säger Packan, eftersom alla extramaterial bara går in i klustren. Dagens marker, enligt hans uppfattning, är mycket nära maximum.

För det andra har grindarna som styr flödet av elektroner i chips blivit så små att de är offer för udda, oönskade kvanteffekter. Fysiker har vetat sedan 1920-talet att elektroner kan tunnla genom extremt små barriärer, som magiskt dyker upp på andra sidan. Chip-grindar är nu mindre än två nanometer - tillräckligt små för att låta elektroner tunnla genom dem även när de är stängda. Eftersom grindar är tänkta att blockera elektroner kan kvantmekaniken göra mindre kiselenheter oanvändbara. Som Packan säger, är kvantmekaniken inte som en vanlig tillverkningssvårighet - vi stöter på en vägspärr på den mest grundläggande nivån.

Halvledartillverkarna går också på tok för grundläggande statistik. Spåntillverkare blandar små mängder dopmedel i kisel på ett sätt som är analogt med hur färgtillverkare blandar några droppar beige i vit färg för att skapa en krämig benvit färg. När husägare målar väggar verkar färgen jämn. Men om de kunde undersöka en liten fläck på väggen, skulle de se små variationer i färg orsakade av statistiska fluktuationer i koncentrationen av beige pigment. När mikrochipkomponenterna var större hade liknande fluktuationer i koncentrationen av dopämne liten effekt. Men nu är transistorer så små att de kan hamna i dopantrika eller dopantfattiga områden, vilket påverkar deras beteende. Även här, säger Packan, har ingenjörer inga kända lösningar.

I slutändan, tror Packan, kan ingenjörs- och processlösningar hittas för att rädda dagen. Men Moores lag kommer fortfarande att behöva möta vad som kan vara dess mest skrämmande utmaning - Moores andra lag. 1995 granskade Moore mikrochips framsteg vid en konferens av International Society for Optical Engineering. Även om han, liksom Packan, såg allt svårare tekniska vägspärrar för att hålla sig på den väg som hans lag förutspådde, var han mest orolig för något annat: de ökande kostnaderna för att tillverka chips.

När Intel grundades 1968, mindes Moore, kostade den nödvändiga utrustningen ungefär $12 000. Idag är det cirka 12 miljoner dollar - men det tenderar fortfarande att inte bearbeta fler wafers per timme än vad [det] gjorde 1968. För att producera chips måste Intel nu spendera miljarder dollar på att bygga var och en av sina tillverkningsanläggningar, och kostnaden kommer att fortsätt att gå upp eftersom markerna fortsätter att bli mer komplexa. Kapitalkostnaderna stiger mycket snabbare än intäkterna, noterade Moore. Enligt hans åsikt kommer takten för tekniska framsteg att styras [av] finansiella verkligheter. Vissa tekniska innovationer, det vill säga kanske inte är ekonomiskt genomförbara, oavsett hur önskvärda de är.

Omgående kallad Moores andra lag, skulle detta erkännande vara smärtsamt bekant för alla som är förknippade med överljudsplan, mag-lev-tåg, höghastighets masstransit, storskaliga partikelacceleratorer och mängden andra tekniska underverk som strypts av höga kostnader. Om den tillämpas på Moores lag är utsikterna förskräckande. Under de senaste 100 åren har ingenjörer och vetenskapsmän upprepade gånger visat hur mänsklig uppfinningsrikedom kan få ett slut att springa runt de svårigheter som naturlagarna utgör. Men de har varit mycket mindre framgångsrika i att fuska med ekonomins lagar. (Det omöjliga är lätt; det är det omöjliga som utgör problemet.) Om Moores lag blir för dyrt att upprätthålla, sa Moore, finns ingen enkel lösning i sikte.

Egentligen var det inte allt han sa. Moore hävdade också att den enda industrin som är avlägset jämförbar i sin tillväxttakt med mikrochipsindustrin är tryckeriindustrin. Individuella karaktärer ristades en gång mödosamt ur sten; nu är de utslungade av miljarder nästan utan kostnad. Tryckeri, påpekade Moore, förändrade samhället totalt, skapade och löste problem på arenor som Gutenberg aldrig kunde ha föreställt sig. Driven av Moores lag, föreslog han, kan informationsteknologi ha en lika enorm inverkan. Om så vore fallet kan den ultimata lösningen på gränserna för Moores lag komma från själva explosionen av datorkraft som förutspås av Moores lag själv - från virveln av ny kunskap, metoder och processer skapade av datorer från denna och framtida generationer.

Idén låter långsökt. Men då lät själva Moores lag långsökt 1965.

Dölj