Correlatie tussen nanometer- en GHz-snelheden in moderne siliciumchips en de wet van Moore

De correlatie tussen nanometer (nm) grootte en GHz-snelheid in moderne chips is niet langer een simpele, directe relatie, zoals die in de begindagen van de wet van Moore bestond.

Waarom de correlatie is afgezwakt, en hoe dit alles zich verhoudt tot de wet van Moore proberen we hieronder wat te duiden.

---

1. De Oorspronkelijke Correlatie: De Wet van Moore

Vroeger (tot ongeveer 2005) was er een sterke, bijna directe correlatie tussen het verkleinen van de nanometergrootte en het verhogen van de kloksnelheid:

Parameter	Impact van Shrinking (Verkleinen)
Nanometer Grootte (nm)	Wordt kleiner. (Dit is de geometrische schaalverkleining).
Transistor Dichtheid	Neemt toe. (Er passen meer transistors op dezelfde chip, de essentie van de Wet van Moore).
Kloksnelheid (GHz)	Neemt toe. (Transistors staan dichter bij elkaar, wat de reisafstand van elektronen verkort, waardoor de frequentie kan stijgen).
Stroomverbruik	Neemt af. (De kleinere transistors hadden minder energie nodig om te schakelen).

Kortom: Kleinere transistors waren sneller en verbruikten minder stroom. Dit was de basis van de eerste vier decennia van de Wet van Moore, die stelde dat het aantal transistors elke twee jaar verdubbelt.

---

2. De Afgezwakte Correlatie: Thermische Muren

Rond het midden van de jaren 2000 stopte deze directe correlatie grotendeels. Dit werd veroorzaakt door de zogenaamde Power Wall (Vermogensmuur) en Thermal Wall (Thermische Muur).

Het Probleem: Lekstroom

Toen transistors kleiner werden dan ongeveer 65 nm, werden de isolatielagen (gate oxides) zo dun dat elektronen begonnen te "lekken" (quantum tunneling).

1. Hogere Kloksnelheid $\to$ Meer Warmte: Om de kloksnelheid (GHz) verder te verhogen, moest de spanning op de chip omhoog.

2. Lekstroom + Hogere Spanning $\to$ Exponentiële Warmte: De combinatie van de al aanwezige lekstroom en de hogere spanning leidde tot een onbeheersbare stijging van het stroomverbruik en de warmteontwikkeling. De chips werden te heet om efficiënt te koelen.

Sinds dit moment is de kloksnelheid van high-end processors grotendeels gestagneerd rond $3.0$ tot $5.0\text{GHz}$.

De Huidige Correlatie (Na 2010)

Vandaag de dag hangen nanometers en GHz-snelheden als volgt samen:

Parameter	Relatie tot Kloksnelheid (GHz)
Nanometer Grootte (nm)	Indirect. De nm-grootte bepaalt voornamelijk de energie-efficiëntie en de transistor-dichtheid (Wet van Moore).
Kloksnelheid (GHz)	Zelden direct beïnvloed. Een kleiner proces (bijv. 5 nm naar 3 nm) verbetert vooral de efficiëntie, waardoor de chip een hogere frequentie kan aanhouden zonder oververhit te raken, maar de focus ligt op kernen en efficiëntie. Op dit ogenblik fabriceren TSMC en Samsung al chips op 2nm, Ook Intel zal begin 2026 chips klaar hebben die 1,8 nm zijn en werken aan een 1,4 nm chip. De 18A (1,8nm) zou volgens Intel 25% sneller zijn dan de 3nm chips.

Conclusie: Kleinere nanometers zorgen nu vooral voor energiezuinigere en dichtere chips, niet noodzakelijk voor een hogere topsnelheid in GHz.

---

3. Moore's Law en de Verschuiving in Focus

De Wet van Moore (het verdubbelen van het aantal transistors) is nog niet dood, maar de manier waarop we prestatiewinsten behalen, is verschoven:

A. Van Kloksnelheid naar Parallelisme

Omdat de kloksnelheid (GHz) vastliep, moesten chipfabrikanten de prestaties op een andere manier verhogen. De focus is verschoven van:

$$\text{Prestatie}\approx \text{Snelheid}\times \text{Aantal Transistors}$$

Naar:

$$\text{Prestatie}\approx \text{Aantal Kernen (Cores)}\times \text{Efficie¨ntie per Kern}$$

Dit verklaart waarom moderne CPU's nu 8, 16 of zelfs 64 kernen hebben, in plaats van een enkele kern die op 10 GHz draait.

B. De Betekenis van 'Nanometer'

De term "nanometer" op moderne chips (bijv. 3 nm of 5 nm) is bovendien niet langer een strikte fysische maat voor de afmeting van een transistor-component (zoals de gate-lengte).

• Het is nu meer een commerciële aanduiding of een generatie-naam die een bepaald niveau van technologische verfijning en transistor-dichtheid vertegenwoordigt.

• De werkelijke afmetingen kunnen variëren tussen fabrikanten, maar de kleinere "nm"-generatie betekent altijd een hogere transistor-dichtheid en betere energie-efficiëntie.

Kortom, de nanometergrootte beïnvloedt nog steeds de Wet van Moore (dichtheid), maar het heeft zijn directe invloed op de GHz-kloksnelheid verloren vanwege fundamentele thermische beperkingen.