Hitreje, tanjše, cenejše: je Koomeyev zakon New Mooreov zakon?

Prenosniki, mobilni telefoni in tablični računalniki so vsako leto cenejši, elegantnejši in zmogljivejši, življenjska doba baterije pa vedno daljša. Ste se kdaj vprašali, zakaj je tako in ali se lahko naprave še naprej izboljšujejo za vedno?

Odgovor na prvo vprašanje pojasnjujejo trije zakoni, ki so jih odkrili raziskovalci, znani kot Mooreov zakon, Dennardovo skaliranje in Koomeyev zakon. Preberite, kako razumeti vpliv teh zakonov na računalništvo in kam nas lahko vodijo v prihodnosti.

Kaj je Mooreov zakon?

Če ste redni bralec MakeUseOf, verjetno poznate mitski Moorejev zakon.

Generalni direktor in soustanovitelj podjetja Intel Gordon Moore ga je prvič predstavil leta 1965.

Napovedal je, da se bo število tranzistorjev na čipu podvojilo približno vsaki dve leti in postalo med 20 in 30 odstotki cenejše za letno izdelavo. Prvi Intelov procesor je bil izdan leta 1971 z 2.250 tranzistorji in površino 12 mm². Današnji procesorji imajo na stotine milijonov tranzistorjev na milimetrski kvadrat.

Čeprav se je začelo kot napoved, je industrija tudi Mooreov zakon sprejela kot načrt. Pet desetletij je predvidljivost zakona podjetjem omogočala oblikovanje dolgoročnih strategij, saj so vedeli, da četudi bi bili njihovi načrti v fazi načrtovanja nemogoči, bi Mooreov zakon dostavil blago ob ustreznem trenutek.

To je imelo učinek na številnih področjih, od vedno boljše grafike iger do balonskega števila megapikslov v digitalnih fotoaparatih.

Vendar ima zakon rok uporabnosti in stopnja napredka se upočasnjuje. Čeprav izdelovalci čipov še naprej poiščite nove načine, kako obiti meje silicijevih čipovMoore sam verjame, da do konca tega desetletja ne bo več delovalo. Ampak to ne bo prvi tehnološki zakon, ki bo izginil.

Ko se Moorejev zakon konča: 3 alternative silicijevim žetonom

Moorejev zakon že desetletja narekuje hitrost tehnološkega razvoja. Toda kaj se zgodi, ko so dosežene njegove fizične meje?

Kaj se je kdaj zgodilo z Dennardom Scalingom?

Leta 1974 je IBM-ov raziskovalec Robert Dennard opazil, da ostaja poraba moči sorazmerna z njihovo površino, ko se tranzistorji skrčijo.

Dennardovo skaliranje, kot je postalo znano, je pomenilo, da se je površina tranzistorja vsakih 18 mesecev zmanjšala za 50 odstotkov, kar je privedlo do 40-odstotnega povečanja takta, vendar z enako stopnjo porabe energije.

Z drugimi besedami, število izračunov na vat bi naraščalo eksponentno, a zanesljivo, tranzistorji pa bi postali hitrejši, cenejši in porabili manj energije.

V dobi Dennardovega skaliranja je bilo izboljšanje zmogljivosti včasih predvidljiv postopek za izdelovalce čipov. Pravkar so dodali več tranzistorjev v procesorje in povečali frekvence.

Potrošnika je bilo to tudi enostavno razumeti: procesor, ki deluje na 3,0 GHz, je bil hitrejši od procesorja na 2,0 GHz, procesorji pa so bili vedno hitrejši. Dejansko je Mednarodni tehnološki načrt za polprevodnike (ITRS), ko je napovedal, da bodo hitrosti dosegle 12GHz do leta 2013!

Vendar imajo danes najboljši procesorji na trgu osnovno frekvenco le 4,1 GHz. Kaj se je zgodilo?

Konec Dennardovega skaliranja

Taktne hitrosti so se zataknile v blatu okoli leta 2004, ko je zmanjšanje porabe energije prenehalo slediti stopnji krčenja tranzistorjev.

Tranzistorji so postali premajhni in električni tok je začel uhajati, kar je povzročilo pregrevanje in visoke temperature, kar je povzročilo napake in poškodbe opreme. To je eden od razlogov zakaj ima vaš računalniški čip hladilnik. Dennard Scaling je dosegel meje, ki jih narekujejo zakoni fizike.

Več jeder, več težav

S kupci in celotnimi panogami, ki so navajeni nenehno izboljševati hitrost, so proizvajalci čipov potrebovali rešitev. Tako so začeli dodajati jedra procesorjem, da bi še naprej povečevali zmogljivost.

Vendar več jeder ni tako učinkovito kot preprosto povečanje taktov na enojedrnih enotah. Večina programske opreme ne more izkoristiti večprocesorske obdelave. Predpomnjenje pomnilnika in poraba energije sta dodatni ozki grli.

Prehod na večjedrne čipe je tudi napovedal prihod temnega silicija.

Temna doba silicija

Kmalu je postalo očitno, da če se hkrati uporablja preveč jeder, lahko uhaja električni tok, kar oživi težavo s pregrevanjem, zaradi katere je Dennard umrl na enojedrnih čipih.

Rezultat so večjedrni procesorji, ki ne morejo uporabljati vseh svojih jeder hkrati. Več jeder kot dodate, več tranzistorjev čipa je treba izklopiti ali upočasniti v postopku, znanem kot "temni silicij".

Torej, čeprav Mooreov zakon še naprej dovoljuje, da se več tranzistorjev prilega čipu, temni silicij najeda CPU nepremičnine. Zato dodajanje več jeder postane nesmiselno, saj ne morete uporabiti vseh hkrati.

Vzdrževanje Moorejevega zakona z uporabo več jeder se zdi slepa ulica.

Kako bi se Mooreov zakon lahko nadaljeval

Eno od rešitev je izboljšati večprocesorsko obdelavo programske opreme. Java, C ++ in drugi jeziki, zasnovani za posamezna jedra, se bodo umaknili tistim, kot je Go, ki so boljši pri sočasnem delovanju.

Druga možnost je večja uporaba poljsko programabilnih nizov vrat (FPGA), vrste prilagodljivega procesorja, ki ga je mogoče po naročilu po novem konfigurirati za določena opravila. Na primer, stranka lahko eno FPGA optimizira za obdelavo videa, lahko pa jo posebej prilagodi za zagon aplikacij za umetno inteligenco.

Gradnja tranzistorjev iz različnih materialov, na primer grafena, je drugo področje, ki se preiskuje, da bi iz Mooreove napovedi iztisnili več življenja. Na koncu pa lahko kvantno računanje popolnoma spremeni igro.

Prihodnost pripada Koomeyjevemu zakonu

Leta 2011 je profesor Jonathan Koomey pokazal, da je najvišja izhodna energijska učinkovitost (učinkovitost procesorja, ki deluje z največjo hitrostjo) odmevala pot procesne moči, opisana v Moorejevem zakonu.

Koomeyev zakon je ugotovil, da so se izračuni na džul energije zanesljivo podvojili vsakih 1,57 leta od zveri iz vakuumskih cevi do prenosnih računalnikov v devetdesetih letih. Z drugimi besedami, baterija, ki jo je določena naloga uporabljala, se je prepolovila vsakih 19 mesecev, zaradi česar je energija, potrebna za določen izračun, vsako desetletje padla za faktor 100.

Mooreov zakon in Dennardovo merjenje sta bila v svetu namiznih in prenosnih računalnikov izjemno pomembna, način uporabe procesorjev se je toliko spremenil, da je energetska učinkovitost, ki jo obljublja Koomeyev zakon, verjetno bolj ustrezna ti.

Vaše računalniško življenje je verjetno razdeljeno med številne naprave: prenosnike, mobilne telefone, tablične računalnike in razne pripomočke. V tej dobi razširiti računalništvo, življenjska doba baterije in zmogljivost na vat postajata pomembnejša od iztisnjenja več GHz iz naših procesorjev z veliko jedrom.

Podobno je pri večini obdelave, ki jo oddajamo v obsežne podatkovne centre za računalništvo v oblaku, posledice Koomeyjevega zakona glede stroškov energije zelo zanimive za tehnološke velikane.

Od leta 2000 pa se je podvojitev energetske učinkovitosti, ki jo opisuje Koomeyev zakon, podvojila zaradi konca Dennardovega skaliranja in upočasnitve Moorejevega zakona. Koomeyev zakon zdaj prinaša vsakih 2,6 leta, v desetletju pa se energetska učinkovitost poveča le za 16 in ne za 100.

Morda je prezgodaj reči, da Koomeyev zakon že sledi soncu Dennardu in Mooreu. Leta 2020 je AMD poročal, da se je energetska učinkovitost procesorja AMD Ryzen 7 4800H povečala za faktor 31.7 v primerjavi s svojimi CPU iz leta 2014, kar daje Koomeyjevemu zakonu pravočasno in znatno spodbudo.

Sorodno: Appleov novi čip M1 je spreminjalec iger: vse, kar morate vedeti

Ponovna opredelitev učinkovitosti za razširitev Koomeyjevega zakona

Najvišja izhodna moč je le en način ocenjevanja računalniške učinkovitosti in tisti, ki je morda zastarel.

Ta metrika je bila bolj smiselna v zadnjih desetletjih, ko so bili računalniki redki, dragi viri, ki so jih uporabniki in aplikacije ponavadi potiskali do svojih meja.

Zdaj večina procesorjev deluje na primer z majhnimi deli življenja, na primer med igranjem video iger. Druga opravila, na primer preverjanje sporočil ali brskanje po spletu, zahtevajo veliko manj energije. Kot taka postaja osrednja pozornost povprečna energetska učinkovitost.

Koomey je to "učinkovitost običajne uporabe" izračunal tako, da je število operacij, izvedenih na leto, delil s celotna porabljena energija in trdi, da bi morala nadomestiti standard "največje učinkovitosti", uporabljen v njegovem izvirniku formulacija.

Čeprav je še treba objaviti analizo, naj bi med letoma 2008 in 2020 dosegli tipično učinkovitost podvojil vsakih 1,5 leta ali tako in tako Koomeyev zakon vrnil na optimalno stopnjo, ki je bila vidna, ko je bil Mooreov zakon prime.

Posledica Koomeyjevega zakona je, da se bodo naprave še naprej zmanjševale in postajale manj močne. Krčilni, a vseeno hitri procesorji so lahko kmalu tako nizko porabljeni, da bodo lahko risali svojo energijo neposredno iz okolja, kot so vročina v ozadju, svetloba, gibanje in drugo virov.

Takšne vseprisotne naprave za obdelavo lahko ustvarijo resnično dobo interneta stvari (IoT) in poskrbijo, da je vaš pametni telefon videti tako zastarel kot vakuumski behemoti iz 40-ih let.

Ko pa znanstveniki in inženirji odkrivajo in izvajajo vedno več novih tehnik za optimizacijo "učinkovitosti tipične uporabe", ta del celotne porabe energije računalnika verjetno tako močno upadla, da bo na ravni tipične rabe dovolj velika le ukrep.

Uporaba največje moči bo spet postala merilo za analizo energetske učinkovitosti. V tem scenariju bo Koomeyev zakon sčasoma naletel na iste fizikalne zakone, ki upočasnjujejo Mooreov zakon.

Ti zakoni fizike, ki vključujejo drugi zakon termodinamike, pomenijo, da se bo Koomeyev zakon končal okoli leta 2048.

Kvantno računanje bo spremenilo vse

Dobra novica je, da bi moralo biti do takrat kvantno računalništvo dobro razvito, s tranzistorji na osnovi posameznih atomov nova generacija raziskovalcev bo morala odkriti povsem druge sklope zakonov, s katerimi bo napovedala prihodnost EU računalništvo.

AMD Vs. Intel: Kateri je najboljši igralni procesor?

Če gradite igralni računalnik in ste razpadli med procesorji AMD in Intel, je čas, da se naučite, kateri procesor je najbolj primeren za vaš igralni sistem.

O avtorju