Брже, тање, јефтиније: Да ли је Кумијев закон Нев Моореов закон?

Преносни рачунари, мобители и таблети сваке године постају јефтинији, елегантнији, моћнији, док се век трајања батерије продужава. Да ли сте се икад запитали зашто је то тако и да ли уређаји могу да се побољшавају заувек?

Одговор на прво питање објашњавају три закона која су открили истраживачи, познати као Моореов закон, Деннардово скалирање и Коомеиев закон. Прочитајте како бисте разумели утицај ових закона на рачунарство и куда би нас могли довести у будућности.

Шта је Моореов закон?

Ако сте редовни читач МакеУсеОф-а, можда сте свесни митског Мооре-овог закона.

Генерални директор и суоснивач Интела Гордон Мооре први пут га је представио 1965.

Предвидио је да ће се број транзистора на чипу удвостручити отприлике сваке две године и постати јефтинији између 20 и 30 процената годишње. Први Интелов процесор објављен је 1971. године са 2.250 транзистора и површином од 12 мм². Данашњи ЦПУ садрже стотине милиона транзистора по квадратном милиметру.

Иако је почело као предвиђање, индустрија је такође усвојила Моореов закон као путоказ. Током пет деценија, предвидивост закона омогућавала је компанијама да формулишу дугорочне стратегије, знајући да, чак и ако су њихови пројекти били немогући у фази планирања, Моореов закон би испоручио робу на одговарајући начин тренутак.

Ово је имало почетни ефекат у многим областима, од непрестано побољшане графике игара до балонског броја мегапиксела у дигиталним фотоапаратима.

Међутим, закон има рок трајања и стопа напретка се успорава. Иако произвођачи чипова и даље настављају наћи нове начине заобилажења граница силицијумских чипова, Мооре и сам верује да то више неће функционисати до краја ове деценије. Али, то неће бити први технолошки закон који ће нестати.

Када се завршава Моореов закон: 3 алтернативе силицијумским чиповима

Моореов закон већ деценијама диктира темпо технолошког развоја. Али шта се дешава када се достигну његове физичке границе?

Шта се икада догодило са Деннардом Скалирањем?

1974, истраживач ИБМ-а Роберт Деннард приметио је да, како се транзистори смањују, њихова употреба енергије остаје пропорционална њиховој површини.

Деннард скалирање, како је постало познато, значило је да се површина транзистора смањивала за 50 процената сваких 18 месеци, што је довело до повећања такта од 40 процената, али са истим нивоом потрошње енергије.

Другим речима, број прорачуна по вату би растао експоненцијално, али поуздано, а транзистори би постајали бржи, јефтинији и трошили мање снаге.

У доба Деннардовог скалирања, побољшање перформанси некада је било предвидљив процес за произвођаче чипова. Управо су додали више транзистора у процесоре и повећали фреквенције такта.

Потрошачу је ово такође било лако да схвати: процесор који ради на 3.0 ГХз био је бржи од оног који ради на 2.0 ГХз, а процесори су постајали све бржи. Заправо, Међународна технолошка мапа за полупроводнике (ИТРС) једном је предвидела да ће достићи стопу такта 12ГХз до 2013!

Ипак, данас најбољи процесори на тржишту имају основну фреквенцију од само 4,1 ГХз. Шта се десило?

Крај Деннард скалирања

Брзине такта заглавиле су се у блату око 2004. године када је смањење потрошње енергије престало да иде у корак са стопом скупљања транзистора.

Транзистори су постали премали, а електрична струја је почела да цури, узрокујући прегревање и високе температуре, што доводи до грешака и оштећења опреме. То је један од разлога зашто ваш рачунарски чип има хладњак. Деннард Сцалинг је достигао ограничења која диктирају закони физике.

Више језгара, више проблема

Са купцима и читавом индустријом навикнутим на континуирано побољшање брзине, произвођачи чипова су требали решење. Дакле, почели су да додају језгра процесорима као начин да наставе да повећавају перформансе.

Међутим, више језгара није толико ефикасно као једноставно повећање брзине такта на једнојезгарним јединицама. Већина софтвера не може да искористи предности вишепроцесорске обраде. Кеширање меморије и потрошња енергије су додатна уска грла.

Прелазак на вишејезгрене чипове такође је најавио долазак тамног силицијума.

Тамно доба силицијума

Убрзо је постало очигледно да ако се истовремено користи превише језгара, електрична струја може процурити, оживљавајући проблем прегревања који је усмртио Деннардово скалирање на једнојезгреним чиповима.

Резултат су вишејезгрени процесори који не могу користити сва своја језгра одједном. Што више језгара додате, то се више транзистора чипа мора искључити или успорити, у процесу познатом као „тамни силицијум“.

Дакле, иако Моореов закон и даље дозвољава да више транзистора стане на чип, тамни силицијум изједа ЦПУ некретнине. Због тога додавање више језгара постаје бесмислено, јер не можете да их користите истовремено.

Одржавање Моореовог закона користећи више језгара изгледа да је ћорсокак.

Како би Моореов закон могао да се настави

Једно средство је побољшање софтверске вишепроцесорске обраде. Јава, Ц ++ и други језици дизајнирани за појединачна језгра уступиће место онима попут Го, који имају бољи паралелни рад.

Друга опција је повећана употреба пољских програмабилних низова врата (ФПГА), врсте прилагодљивог процесора који се након куповине може поново конфигурисати за одређене задатке. На пример, купац може да оптимизује један ФПГА за руковање видео снимком док може бити посебно прилагођен за покретање апликација вештачке интелигенције.

Изградња транзистора од различитих материјала, попут графена, друго је подручје које се истражује како би се из Моореовог предвиђања истиснуо више живота. И, још ниже, квантно рачунање може потпуно променити игру.

Будућност припада Кумијевом закону

2011. године, професор Јонатхан Коомеи показао је да врхунска енергетска ефикасност (ефикасност процесора који ради на највећој брзини) одражава путању процесорске снаге описане Моореовим законом.

Коомеи-ов закон приметио је да су се, од звери са вакуумским цевкама од 1940-их до лаптопа 1990-их, прорачуни по џулу енергије поуздано удвостручили на сваких 1,57 година. Другим речима, батерија коју је неки задатак користио преполовила се сваких 19 месеци, што је резултирало смањењем енергије потребне за одређено рачунање за фактор од 100 сваке деценије.

Иако су Моореов закон и скала Деннарда били изузетно важни у свету стоних и преносних рачунара, начин на који користимо процесори су се толико променили да је енергетска ефикасност коју обећава Коомеи-ов закон вероватно релевантнија за ти.

Живот у рачунару је вероватно подељен између многих уређаја: преносних рачунара, мобилних телефона, таблета и разних уређаја. У овој ери пролиферате цомпутинг, животни век батерије и перформансе по вату постају важнији од истискивања више ГХз из наших процесора са много језгара.

Исто тако, са већим бројем обраде која је препуштена масивним центрима за рачунарство у облаку, импликације трошкова Коомеи-овог закона на енергетску потрошњу од великог су интереса за технолошке дивове.

Међутим, од 2000. године, удвостручавање енергетске ефикасности у целој индустрији описано Коомеи-овим законом успорило је због краја Деннардовог скалирања и успоравања Мооре-овог закона. Коомеи-ов закон сада доноси сваке 2,6 године, а током једне деценије енергетска ефикасност се повећава за само 16, а не за 100.

Можда је преурањено рећи да Коомеи-ов закон већ прати Деннарда и Мооре-а у залазак сунца. АМД је 2020. известио да је енергетска ефикасност његовог АМД Ризен 7 4800Х процесора порасла за фактор 31.7 у поређењу са процесорима из 2014., што је Куомеи-овом закону дало благовремени и значајан подстицај.

Повезан: Аппле-ов нови М1 чип је мењач игара: све што треба да знате

Редефинисање ефикасности за проширење Кумијевог закона

Врхунска ефикасност напајања је само један од начина процене ефикасности рачунара и онај који је можда застарео.

Ова метрика је имала више смисла у протеклим деценијама, када су рачунари били оскудни, скупи ресурси које су корисници и апликације често доводили до својих граница.

Сада већина процесора ради са врхунским перформансама само мали део свог живота, на пример, када покреће видео игру. За друге задатке, попут провере порука или прегледавања Веба, потребно је много мање енергије. Као таква, просечна енергетска ефикасност постаје фокус.

Коомеи је израчунао ову „ефикасност типичне употребе“ тако што је поделио број операција изведених годишње са укупне потрошене енергије и тврди да би требало да замени стандард „ефикасности максималне употребе“ који се користи у његовом оригиналу формулација.

Иако анализу тек треба објавити, између 2008. и 2020. године очекује се ефикасност типичне употребе удвостручио се на сваких 1,5 године, враћајући Коомеи-овом закону оптималну стопу виђену када је био Моореов закон главни.

Једна од импликација Коомеи-овог закона је да ће уређаји и даље смањивати величину и постајати мање енергетски захтевни. Смањујући се, али ипак брзи процесори, процесори ће ускоро можда бити толико слаби да ће моћи да цртају своју енергију директно из околине, као што су позадинска топлота, светлост, кретање и друго извори.

Такви свеприсутни уређаји за обраду могу отворити право доба Интернета ствари (ИоТ) и учинити да ваш паметни телефон изгледа једнако застарело као бехемоти у вакуумским цевима из 1940-их.

Међутим, како научници и инжењери откривају и примењују све више и више нових техника за оптимизацију „ефикасности типичне употребе“, тај део укупне потрошње енергије рачунара вероватно ће пасти толико да ће на нивоима типичне употребе само вршни учинак бити довољно значајан да мерити.

Коришћење максималне излазне снаге поново ће постати мерило за анализу енергетске ефикасности. У овом сценарију, Коомеи-ов закон ће се на крају сусрести са истим законима физике који успоравају Моореов закон.

Ти закони физике, који укључују и други закон термодинамике, значе да ће се Кумејев закон завршити око 2048. године.

Квантно рачунање ће променити све

Добра вест је да би до тада квантно рачунање требало да буде добро развијено, са транзисторима заснованим на појединачним атомима уобичајено, а нова генерација истраживача мораће да открије читав други низ закона за предвиђање будућности рад на рачунару.

АМД вс. Интел: Који је најбољи играчки процесор?

Ако градите ПЦ за игре и разапети сте између АМД и Интел ЦПУ-а, време је да научите који је процесор најбољи за вашу играћу опрему.

О аутору