Ātrāk, plānāk, lētāk: vai Koomeja likums ir Jaunā Mūra likums?

Klēpjdatori, mobilie tālruņi un planšetdatori katru gadu kļūst lētāki, gludāki, jaudīgāki, savukārt akumulatora darbības laiks kļūst arvien ilgāks. Vai esat kādreiz domājuši, kāpēc tas tā ir un vai ierīces var turpināt uzlabot uz visiem laikiem?

Atbildi uz pirmo jautājumu izskaidro trīs pētnieku atklātie likumi, kas pazīstami kā Mūra likums, Dennarda mērogošana un Koomey likums. Lasiet tālāk, lai izprastu šo likumu ietekmi uz skaitļošanu un to, kur tie mūs varētu novest nākotnē.

Kāds ir Mūra likums?

Ja esat regulārs MakeUseOf lasītājs, iespējams, esat informēts par mītisko Mūra likumu.

Intel izpilddirektors un līdzdibinātājs Gordons Mūrs to pirmo reizi ieviesa 1965. gadā.

Viņš prognozēja, ka mikroshēmā esošo tranzistoru skaits dubultosies aptuveni ik pēc diviem gadiem un katru gadu kļūs par 20 līdz 30 procentiem lētāks. Pirmais Intel procesors tika izlaists 1971. gadā ar 2250 tranzistoriem un 12 mm lielu laukumu². Mūsdienu centrālajos procesoros ir simtiem miljonu tranzistoru vienā kvadrātmetrā.

Lai gan tas sākās kā pareģojums, nozare arī pieņēma Mūra likumu kā ceļvedi. Piecas desmitgades likuma paredzamība ļāva uzņēmumiem formulēt ilgtermiņa stratēģijas, zinot, ka pat ja to izstrāde nebija iespējama plānošanas posmā, Mūra likums piegādāja preces atbilstoši brīdi.

Tam bija pozitīvs efekts daudzās jomās, sākot no arvien uzlabotās spēļu grafikas līdz digitālo kameru straujajam megapikseļu skaitam.

Tomēr likumam ir derīguma termiņš, un progresa temps palēninās. Lai gan mikroshēmu ražotāji turpina atrast jaunus veidus, kā apiet silīcija mikroshēmas, Pats Mūrs uzskata, ka līdz šīs desmitgades beigām tas vairs nedarbosies. Bet tas nebūs pirmais tehnoloģiju likums, kas pazudīs.

Kad Mūra likums beigsies: 3 alternatīvas silīcija mikroshēmām

Mūra likums gadu desmitiem ir noteicis tehnoloģiju attīstības tempus. Bet kas notiek, kad tiek sasniegtas tā fiziskās robežas?

Kas jebkad noticis ar Dennard Scaling?

1974. gadā IBM pētnieks Roberts Dennards novēroja, ka, samazinoties tranzistoriem, to enerģijas patēriņš joprojām ir proporcionāls to laukumam.

Dennard mērogošana, kā kļuva zināms, nozīmēja, ka ik pēc 18 mēnešiem tranzistora laukums tiek samazināts par 50 procentiem, kā rezultātā pulksteņa ātrums palielinās par 40 procentiem, bet ar tādu pašu enerģijas patēriņa līmeni.

Citiem vārdiem sakot, aprēķinu skaits uz vatu pieaugtu ar eksponenciālu, bet uzticamu ātrumu, un tranzistori kļūtu ātrāki, lētāki un patērētu mazāk enerģijas.

Dennard mērogošanas laikmetā veiktspējas uzlabošana agrāk bija prognozējams process mikroshēmu ražotājiem. Viņi vienkārši pievienoja vairāk tranzistoru CPU un palielināja pulksteņa frekvences.

Patērētājam to bija viegli saprast arī: procesors, kura darbības ātrums bija 3,0 GHz, bija ātrāks nekā procesors, kura ātrums bija 2,0 GHz, un procesori arvien straujāk. Patiešām, Starptautiskais pusvadītāju tehnoloģiju ceļvedis (ITRS) pēc tam, kad tiks prognozēts pulksteņa ātrums 12 GHz līdz 2013. gadam!

Tomēr šodien labāko procesoru tirgū bāzes frekvence ir tikai 4,1 GHz. Kas notika?

Dennard Scaling beigas

Pulksteņa ātrums iestrēga dubļos ap 2004. gadu, kad enerģijas patēriņa samazināšanās pārstāja iet kopsolī ar tranzistoru saraušanās ātrumu.

Transistori kļuva par mazu, un elektriskā strāva sāka izplūst, izraisot pārkaršanu un augstu temperatūru, izraisot kļūdas un aprīkojuma bojājumus. Tas ir viens no iemesliem kāpēc jūsu datora mikroshēmā ir siltuma izlietne. Dennard Scaling bija sasniedzis fizikas likumu diktētās robežas.

Vairāk serdeņu, vairāk problēmu

Tā kā klienti un visas nozares ir pieraduši pie nepārtrauktiem ātruma uzlabojumiem, mikroshēmu ražotājiem bija nepieciešams risinājums. Tātad, viņi sāka pievienot kodolus procesoriem kā veidu, kā turpināt palielināt veiktspēju.

Tomēr vairāki kodoli nav tik efektīvi kā vienkārši paaugstināt pulksteņa ātrumu viena kodola vienībās. Lielākā daļa programmatūras nevar izmantot daudzapstrādes priekšrocības. Atmiņas kešatmiņa un enerģijas patēriņš ir papildu problēmas.

Pāreja uz daudzkodolu mikroshēmām arī vēstīja par tumšā silīcija ienākšanu.

Silīcija tumšais laikmets

Drīz kļuva skaidrs, ka, ja vienlaikus tiek izmantots pārāk daudz serdeņu, elektriskā strāva var noplūst, atdzīvinot pārkaršanas problēmu, kas nogalināja Dennarda mērogošanu uz viena kodola mikroshēmām.

Rezultāts ir daudzkodolu procesori, kas nevar izmantot visus savus kodolus vienlaikus. Jo vairāk serdes jūs pievienojat, jo vairāk mikroshēmas tranzistoru ir jāizslēdz vai jāpalēnina process, kas pazīstams kā "tumšais silīcijs".

Tātad, lai arī Mūra likums turpina ļaut vairākiem tranzistoriem ievietoties mikroshēmā, tumšais silīcijs apēd CPU nekustamo īpašumu. Tāpēc vairāk kodolu pievienošana kļūst bezjēdzīga, jo jūs nevarat tos visus izmantot vienlaikus.

Mūra likuma uzturēšana, izmantojot vairākus serdeņus, šķiet, ir strupceļš.

Kā Mūra likums varētu turpināties

Viens līdzeklis ir programmatūras daudzapstrādes uzlabošana. Java, C ++ un citas valodas, kas paredzētas atsevišķiem kodoliem, ļaus pāriet tādām kā Go, kuras labāk darbojas vienlaikus.

Vēl viena iespēja ir palielināt laukā programmējamo vārtu bloku (FPGA) izmantošanu - pielāgojamu procesoru veidu, kuru pēc pirkuma var pārkonfigurēt konkrētiem uzdevumiem. Piemēram, klients var optimizēt vienu FPGA, lai tas apstrādātu video, vai arī to var īpaši pielāgot mākslīgā intelekta lietojumprogrammu darbināšanai.

Transistoru veidošana no dažādiem materiāliem, piemēram, grafēna, ir vēl viena pētāmā joma, lai izspiestu vairāk dzīvības no Mūra prognozēm. Kvantu skaitļošana var pilnībā mainīt spēli.

Nākotne pieder Koomeja likumam

2011. gadā profesors Džonatans Koomejs parādīja, ka maksimālā izejas energoefektivitāte (procesora efektivitāte, kas darbojas ar maksimālo ātrumu) atkārto Mūra likumā aprakstīto apstrādes jaudas trajektoriju.

Koomeja likumā ir norādīts, ka no 1940. gadu vakuuma caurules zvēriem līdz 1990. gadu klēpjdatoriem aprēķini par katru enerģijas džoulu ir ticami dubultojušies ik pēc 1,57 gadiem. Citiem vārdiem sakot, akumulators, ko izmanto noteikts uzdevums, ik pēc 19 mēnešiem samazinājās uz pusi, kā rezultātā enerģija, kas nepieciešama konkrētam aprēķinam, katru desmitgadi samazinājās par 100 reizes.

Kaut arī Mūra likums un Dennarda mērogošana bija ārkārtīgi svarīga galddatoru un klēpjdatoru pasaulē, veids, kā mēs izmantojam procesori ir tik mainījušies, ka Koomey likumā solītā energoefektivitāte, iespējams, ir atbilstošāka jūs.

Jūsu skaitļošanas laiks, visticamāk, ir sadalīts starp daudzām ierīcēm: klēpjdatoriem, mobilajiem tālruņiem, planšetdatoriem un dažādiem sīkrīkiem. Šajā laikmetā izplatīt skaitļošanu, akumulatora darbības laiks un veiktspēja par vatu kļūst arvien svarīgāka nekā vairāk GHz izspiešana no mūsu daudzkodolu procesoriem.

Tāpat, kad vairāk apstrādes procesu esam nodevuši masveida mākoņdatošanas datu centriem, Koomija likuma ietekme uz enerģijas izmaksām ļoti interesē tehnoloģiju gigantus.

Tomēr kopš 2000. gada nozares mēroga energoefektivitātes dubultošanās, kas aprakstīta Koomeja likumā, ir palēninājusies Dennard mērogošanas beigām un Mūra likuma palēnināšanās dēļ. Koomey likums tagad tiek piegādāts ik pēc 2,6 gadiem, un desmit gadu laikā energoefektivitāte palielinās tikai par koeficientu tikai 16, nevis 100.

Var būt pāragri teikt, ka Koomeja likums jau seko Dennardam un Mūram saulrietā. 2020. gadā AMD ziņoja, ka tā AMD Ryzen 7 4800H procesora energoefektivitāte palielinājās par koeficientu 31.7 salīdzinājumā ar 2014. gada CPU, dodot Koomey likumam savlaicīgu un būtisku impulsu.

Saistīts: Apple jaunais M1 čips ir spēļu mainītājs: viss, kas jums jāzina

Pārdefinēt efektivitāti, lai paplašinātu Koomeja likumu

Maksimālā izejas jaudas efektivitāte ir tikai viens no veidiem, kā novērtēt skaitļošanas efektivitāti, un tas, kas tagad var būt novecojis.

Šis rādītājs bija jēgpilnāks pēdējās desmitgadēs, kad datoru bija maz, dārgi resursi, kurus lietotāji un lietojumprogrammas mēdz nospiest līdz savām robežām.

Tagad lielākā daļa procesoru darbojas ar maksimālu veiktspēju tikai nelielu daļu savas dzīves, piemēram, vadot videospēli. Citi uzdevumi, piemēram, ziņojumu pārbaude vai tīmekļa pārlūkošana, prasa daudz mazāk enerģijas. Tādējādi uzmanības centrā ir vidējā energoefektivitāte.

Koomejs ir aprēķinājis šo “tipiskās lietošanas efektivitāti”, dalot gadā veikto darbību skaitu ar kopējā patērētā enerģija un uzskata, ka tai vajadzētu aizstāt oriģinālā izmantoto "maksimālās izmantošanas efektivitātes" standartu formulējums.

Lai gan analīze vēl jāpublicē, sagaidāms, ka laika posmā no 2008. līdz 2020. gadam būs raksturīga lietošanas efektivitāte apmēram divpadsmit reizes apmēram pēc 1,5 gadiem, atgriežot Koomeja likumu līdz optimālajam līmenim, kāds bija redzams, kad Mūra likums bija spēkā galvenā.

Viena Koomey likuma implikācija ir tāda, ka ierīces turpinās samazināt izmērus un kļūt mazāk enerģijas patērējošas. Sarūkošie, bet joprojām ātrgaitas procesori drīz var būt tik mazjaudīgi, ka varēs zīmēt to enerģiju tieši no vides, piemēram, fona siltumu, gaismu, kustību un citu avotiem.

Šādām visuresošām apstrādes ierīcēm ir potenciāls ieviest lietu interneta (IoT) patieso laikmetu un padarīt jūsu viedtālruni tikpat novecojušu kā 1940. gadu vakuuma caurulēs redzamie behemoti.

Tomēr, tā kā zinātnieki un inženieri atklāj un ievieš arvien jaunus paņēmienus, lai optimizētu “tipiskas lietošanas efektivitāti”, šī daļa datora enerģijas kopējais patēriņš, visticamāk, samazināsies tik daudz, ka parastā lietošanas līmenī tikai maksimālā jauda būs pietiekami nozīmīga, lai mērs.

Maksimālā jauda atkal kļūs par energoefektivitātes analīzes kritēriju. Šajā scenārijā Koomeja likums galu galā saskarsies ar tiem pašiem fizikas likumiem, kas palēnina Mūra likumu.

Šie fizikas likumi, kas ietver otro termodinamikas likumu, nozīmē, ka Koomeja likums beigsies ap 2048. gadu.

Kvantu skaitļošana visu mainīs

Labā ziņa ir tā, ka līdz tam laikam kvantu skaitļošanai jābūt labi attīstītai, tranzistoriem balstoties uz atsevišķiem atomiem ikdienai, un jaunai pētnieku paaudzei būs jāatklāj pilnīgi citi likumu kopumi, lai prognozētu nākotni skaitļošana.

AMD vs. Intel: Kāds ir labākais spēļu procesors?

Ja jūs veidojat spēļu datoru un esat saplēsts starp AMD un Intel procesoriem, ir pienācis laiks uzzināt, kurš procesors ir labākais jūsu spēļu platformai.

Par autoru