vignette|upright=1.8|Croissance du nombre de transistors (en ordonnées logarithmiques) dans les microprocesseurs Intel par rapport à la loi de Moore. En vert, un doublement tous les . Les lois de Moore sont des lois empiriques qui décrivent l'évolution de la puissance de calcul des ordinateurs et de la complexité du matériel informatique.
La première de ces lois est émise par le docteur Gordon E. Moore en 1965, lorsque celui-ci postule sur une poursuite du doublement de la complexité des semi-conducteurs tous les ans à coût constant. Dix ans plus tard Moore ajusta sa prédiction à un doublement du nombre de transistors présents sur une puce de microprocesseur tous les deux ans. Ce second postulat se révéla particulièrement exact, et popularisa le terme de « loi de Moore », si bien que ce dernier a fini par s'étendre au doublement d'une capacité quelconque en un temps donné.
Énoncés vignette|Un graphique semi-logarithmique du nombre de transistors pour les microprocesseurs par rapport aux dates d'introduction, doublant presque tous les deux ans.|403x403px Le premier microprocesseur (Intel 4004) a été inventé en 1971. Il s’agissait d’une unité de calcul de , cadencée à et intégrant . La capacité d’intégration des transistors et l'augmentation de la finesse de gravure ont amélioré les performances des processeurs.
L'énoncé de la « loi de Moore » a été exprimé en 1965 dans le magazine par Gordon E. Moore, ingénieur de , un des trois fondateurs d'Intel. Constatant que la « complexité des semi-conducteurs proposés en entrée de gamme » doublait tous les ans à coût constant depuis 1959, date de leur invention, il postulait par extrapolation la poursuite de cette croissance (en 1965, le circuit le plus performant comportait ). Cette augmentation exponentielle fut rapidement nommée « loi de Moore » ou, compte tenu de l'ajustement ultérieur, « première loi de Moore ». En 1975, Moore réévalua sa prédiction en posant que le nombre de transistors des microprocesseurs (et non plus de simples circuits intégrés moins complexes) sur une puce de silicium double tous les deux ans. Bien qu'il ne s'agisse pas d'une loi physique mais seulement d'une extrapolation empirique, cette prédiction s'est révélée étonnamment exacte. Entre 1971 et 2001, la densité des transistors a doublé chaque . En conséquence, les machines électroniques sont devenues de plus en plus petites et de moins en moins coûteuses tout en devenant de plus en plus rapides et puissantes. Une version commune, variable et sans lien avec les énoncés réels de Moore est : « quelque chose » double tous les dix-huit mois, cette chose étant « la puissance », « la capacité », « la vitesse », « la fréquence d'horloge » et bien d'autres variantes mais très rarement la densité des transistors sur une puce. Ces pseudo « lois de Moore » sont celles le plus souvent diffusées, car elles fleurissent dans des publications grand public et sur de nombreux sites Internet. Leur seul point commun est donc ce nombre de dix-huit mois, qu'on ne trouve pourtant dans aucun des deux énoncés de Moore. Ce nombre vient d'une prédiction de David House, cadre de Intel, qui a combiné la multiplication des transistors et l'augmentation de leur vitesse.
Critiques Dans son livre Le désir de nouveautés : L'obsolescence au cœur du capitalisme (), la philosophe Jeanne Guien réfute le fait que les lois de Moore soient des prédictions. Il s'agit plutôt de planification.
Moore énonce l'augmentation exponentielle des capacités des circuits intégrés alors qu'il est directeur « recherche et développement » de l'entreprise Fairchild Semiconductor.
En 1968, Gordon E. Moore cofonde l'entreprise Intel et met en œuvre ses préconisations.
Loi de Moore et fréquence d'horloge L'interprétation erronée de la loi de Moore sur la fréquence d'horloge est à peu près vérifiée depuis 1973, et aurait dû théoriquement continuer jusqu'en 2015 avant qu'on ne bute sur des effets de bruits parasites (effets quantiques, désintégrations alpha). Depuis 2004, la fréquence des processeurs tend à stagner en raison de difficultés de dissipation thermique, qui empêchent une montée en fréquence en dépit de la taille plus faible des composants. Les fréquences de processeurs s'approchent en 2016 du seuil des . Un record de est battu par IBM (en coopération avec Georgia Tech) avec un transistor équipé d'une puce à base de silicium-germanium qui, pour l'occasion, a été refroidi à à l'hélium liquide.. Ce transistor fonctionne encore à à température ambiante. En 2018, Intel franchit la barre des 7,5 GHz avec son processeur Core i9-9900K par l'optimisation de l'utilisation de l'azote liquide pour le système de refroidissement. Un record encore battu en 2023 par une équipe d'overclockers d’Asus (Elmor, SkatterBencher, et Shamino), qui ont atteint 9.117GHz avec in Core I9-14900KF. Ce record est dû à un refroidissement à l'Hélium Liquide.
Cependant la seconde loi de Moore est toujours respectée, du fait de la capacité d'intégration des processeurs toujours en progression, qui permet de contourner la stagnation de la fréquence par le doublement sur une puce du nombre de transistors, la fréquence restant pour sa part inchangée (Dual PowerPC en 2002, Dual IA en 2004, Intel Core Duo en 2006).
De plus, des puces fonctionnant en mode totalement asynchrone. L'idée de circuits asynchrones n'est pas nouvelle puisqu'elle a été expérimentée en 1951 avec l'IAS et en 1952 avec l'ORDVAC. On s'aperçoit en effet que la simple transmission du signal d'horloge à tous les composants peut consommer la moitié de l’espace et de la puissance électrique des microprocesseurs de l'an 2000.
Parallélisme et loi de Moore Le recours au traitement parallèle est devenu, pendant les années 2000, nécessaire pour que la loi de Moore reste valide. Pendant des années, les fondeurs de processeurs étaient en mesure de fournir des augmentations de fréquence d'horloge et des améliorations de parallélisme au niveau des jeux d'instructions, de telle manière que les applications s'exécutaient beaucoup plus vite sur une nouvelle génération de processeurs sans qu'aucune modification ne soit nécessaire. Désormais, pour gérer au mieux la puissance dissipée (directement liée à la fréquence d'horloge), les fondeurs favorisent les architectures multi-cœurs. Ceci a un impact extrêmement important sur le logiciel qui doit être écrit et spécialement adapté pour tirer avantage du matériel See Herb Sutter, The Free Lunch Is Over: A Fundamental Turn Toward Concurrency in Software, Dr. Dobb's Journal, 30(3), mars 2005..
Autres facteurs Aspects financiers
Un autre facteur peut freiner la progression des performances des processeurs, et qui n'a cette fois-ci plus rien de physique, mais qui est d'ordre financier. Le coût des chaînes de production augmente lui aussi exponentiellement, à un point tel que même des géants concurrents comme IBM et Siemens ont dû grouper leurs investissements pour arriver à suivre le mouvement.
La rentabilité des nouvelles générations de machines dépend d'un futur pour le moins « incertain » (beaucoup d'utilisateurs de PC, par exemple, commencent à prendre comme critère de choix prioritaire non plus la vitesse d'un PC, mais son niveau de bruit) et il se pourrait que dans ces conditions ce soit une décision économique, et non un palier physique, qui mette fin à la loi de Moore.
Vitesse réelle et vitesse subjective
Des machines de plus en plus puissantes mises à disposition des développeurs ont des effets pervers. À l'époque des processeurs « lents » des et 1990, les développeurs investissaient beaucoup de temps pour optimiser les programmes et chaque ligne de code que l'on pouvait économiser permettait de gagner des cycles d'horloge et donc d'aller plus vite. Les ordinateurs actuels offrent un confort de travail qui a pour effet de diminuer la vigilance des développeurs.. En outre, les contraintes économiques obligent à toujours produire dans l'urgence, et le temps passé autrefois à optimiser le code a été sacrifié. Ainsi est-on confronté aujourd'hui à un paradoxe : les ordinateurs sont de plus en plus rapides, mais les logiciels de plus en plus lourds et de plus en plus lents (voir loi de Wirth).
Finalement, l'utilisateur n'a pas la sensation d'une réelle augmentation de la vitesse, surtout pour des tâches élémentaires comme le traitement de texte. qui, privés de tous les gadgets dont les systèmes sont chargés aujourd'hui,
Un autre facteur sans doute explique mieux l'absence de sensation de progrès : les autres composants des ordinateurs n'ont pas forcément évolué aussi vite. Dans un ordinateur moderne équipé de disques durs mécaniques, ce sont ces derniers qui sont le facteur limitant de l'expérience utilisateur. Un ordinateur est un système comparable à une chaîne : le composant le plus lent décide de la vitesse de l'ensemble. L'ajout de mémoire vive ou l'installation d'un stockage SSD dans un système obsolète ou bas de gamme permet un gain de réactivité (démarrage de la machine, lancement des programmes, arrêt) souvent plus apprécié par l'utilisateur qu'une augmentation de la vitesse du processeur.
Contrainte économique La loi de Moore pourrait également présenter un intérêt économique de contrôle de la demande par répartition distillée de l'offre. En effet, la miniaturisation progresse en principe grâce à des découvertes et à des optimisations ponctuelles, réalité peu conforme à la régularité de l'évolution exponentielle spécifiée par la loi de Moore. En maîtrisant dans le temps la diffusion des applications technologiques nouvelles, et s'assurent ainsi d'une correspondance entre leurs efforts d'innovation et les désirs de renouvellement de leur clientèle.
L’auto-limitation de l'offre obligerait ainsi les consommateurs à mettre à jour régulièrement leur matériel. Pour être effective, il faudrait néanmoins qu'une telle auto-limitation de l'offre puisse s'appuyer sur une cartellisation forte du marché.
(en français : Le Mur)
La loi de Moore s'est révélée étonnamment exacte jusqu'au début du .
En 1999, le transistor CMOS dit « ultime » développé au CEA-Leti à Grenoble a poussé à ses « limites » le principe du transistor MOSFET avec une section de (la dimension d’environ mis côte à côte), soit sept fois plus petit que le plus petit transistor industriel de 2002 ( en 2002, en 2003, en 2005, en 2008, en 2010, en 2012, en 2016, en 2019).
Il permettait un degré d’intégration théorique de sept milliards de jonctions sur une pièce d'un euro. Mais, il ne s’agissait là que d’une simple expérience de recherche pour étudier le fonctionnement des techniques CMOS lorsque l’on s’approche de la taille moléculaire.
Le coût de la technique permettant la réalisation de puces intégrant de plus en plus de transistors augmente dans des proportions vertigineuses. Une autre loi empirique de la , la loi de Rock, stipule ainsi que le coût de fabrication d’une fonderie de puce double tous les quatre ans car le procédé de fabrication utilisé depuis une quarantaine d’années, la photolithographie, se rapproche toujours plus de ses limites physiques. Ainsi en 2004, Intel a annoncé un investissement de plus de deux milliards de dollars dans son usine Fab12 en Arizona pour la fabrication de puces à partir de de de diamètre, qui ont remplacé les de vers la fin 2005.
Pour fabriquer des transistors toujours plus minuscules, on utilise des rayonnements de longueur d’onde toujours plus courte et la course à la miniaturisation entraînera la photolithographie dans le spectre des rayons X de plus en plus durs (rayonnement UV puis rayons X). Mais dans cette gamme de longueurs d’onde il devient difficile, voire impossible, de concentrer efficacement les rayons. Au milieu des , on estimait ne pas être en mesure de fabriquer industriellement des transistors de moins de () de section avec un tel procédé. Dans l’industrie du silicium, cette limite s’appelle « ».