Greitesnis, plonesnis, pigesnis: ar Koomey'io įstatymas yra naujasis Moore'o įstatymas?

Nešiojamieji kompiuteriai, mobilieji telefonai ir planšetiniai kompiuteriai kasmet tampa pigesni, aptakesni, galingesni, o baterijos veikimo laikas vis ilgėja. Ar kada susimąstėte, kodėl taip yra ir ar prietaisai gali ir toliau tobulėti amžinai?

Atsakymas į pirmąjį klausimą paaiškinamas trimis tyrinėtojų atrastais dėsniais, vadinamais Moore'o įstatymu, Dennardo mastelio keitimu ir Koomey'io dėsniu. Skaitykite toliau, kad suprastumėte šių įstatymų poveikį skaičiavimams ir kur jie gali mus nuvesti ateityje.

Kas yra Moore'o įstatymas?

Jei esate įprastas „MakeUseOf“ skaitytojas, galbūt žinote mitinį Moore'o dėsnį.

„Intel“ generalinis direktorius ir vienas iš įkūrėjų Gordonas Moore'as pirmą kartą pristatė 1965 m.

Jis prognozavo, kad mikroschemoje esančių tranzistorių skaičius padvigubės maždaug kas dvejus metus ir kasmet atpigs nuo 20 iki 30 procentų. Pirmasis „Intel“ procesorius buvo išleistas 1971 m. Su 2250 tranzistorių ir 12 mm ploto². Šiandieniniai procesoriai talpina šimtus milijonų tranzistorių viename milimetro kvadrate.

Nors tai prasidėjo kaip prognozė, pramonė taip pat priėmė Moore'o įstatymą kaip planą. Penkis dešimtmečius įstatymų nuspėjamumas leido įmonėms suformuoti ilgalaikes strategijas, žinant, kad net jei jų dizainas buvo neįmanomas planavimo etape, Moore'o įstatymas pristatė prekes tinkamu būdu momentas.

Tai turėjo įtakos daugelyje sričių, pradedant vis geresne žaidimų grafika ir baigiant skaitmeninių fotoaparatų megapikselių skaičiumi.

Tačiau įstatymas turi galiojimo laiką, o pažangos tempas lėtėja. Nors mikroschemų gamintojai ir toliau rasti naujų būdų apeiti silicio drožlių ribas, Pats Moore'as mano, kad šio dešimtmečio pabaigoje tai nebeveiks. Bet tai nebus pirmasis išnyksiantis technologijų dėsnis.

Kai baigsis Moore'o įstatymas: 3 silicio drožlių alternatyvos

Moore'o įstatymas dešimtmečius diktavo technologinės plėtros tempą. Bet kas nutinka, kai pasiekiamos jo fizinės ribos?

Kas nutiko Dennard Scaling?

1974 m. IBM tyrėjas Robertas Dennardas pastebėjo, kad mažėjant tranzistoriams, jų energijos suvartojimas išlieka proporcingas jų plotui.

Dennardo mastelis, kaip tapo žinoma, reiškė, kad tranzistoriaus plotas kas 18 mėnesių sumažėjo 50 procentų, o laikrodžio greitis padidėjo 40 procentų, tačiau sunaudojant tą patį energijos lygį.

Kitaip tariant, skaičiavimų skaičius už vatą augtų eksponentiniu, bet patikimu greičiu, o tranzistoriai gautųsi greičiau, pigiau ir sunaudotų mažiau energijos.

Dennardo mastelio amžiuje našumo gerinimas anksčiau buvo nuspėjamas lustų gamintojų procesas. Jie tiesiog pridėjo daugiau tranzistorių prie procesorių ir padidino laikrodžio dažnius.

Tai vartotojui taip pat buvo nesunku suprasti: procesorius, veikiantis 3,0 GHz dažniu, buvo spartesnis už tą, kuris veikė 2,0 GHz dažniu, o procesoriai vis spartėjo. Iš tiesų, tarptautinis puslaidininkių technologijų planas (ITRS), kai tikimasi pasiekti laikrodžio rodiklius 12 GHz iki 2013 m!

Vis dėlto šiandien geriausių rinkoje esančių procesorių bazinis dažnis yra vos 4,1 GHz. Kas nutiko?

Dennardo mastelio pabaiga

Laikrodžio greitis įstrigo purve maždaug 2004 m., Kai energijos suvartojimo sumažėjimas nustojo žengti koja kojon su tranzistorių mažėjimo greičiu.

Tranzistoriai tapo per maži, o elektros srovė pradėjo nutekėti, sukeldama perkaitimą ir aukštą temperatūrą, sukeldama klaidų ir įrangos sugadinimą. Tai viena iš priežasčių kodėl jūsų kompiuterio luste yra radiatorius. Dennard Scaling pasiekė fizikos dėsnių diktuojamas ribas.

Daugiau branduolių, daugiau problemų

Klientams ir visoms pramonės šakoms pripratus prie nuolatinio greičio tobulinimo, lustų gamintojams reikėjo sprendimo. Taigi, jie pradėjo pridėti branduolius prie procesorių kaip būdą išlaikyti našumą.

Tačiau keli branduoliai nėra tokie efektyvūs, kaip paprasčiausias vieno branduolio blokų laikrodžio greičio padidinimas. Dauguma programinės įrangos negali pasinaudoti daugiaprocesoriniu pranašumu. Atminties talpykla ir energijos suvartojimas yra papildomos kliūtys.

Perėjimas prie daugiasluoksnių lustų taip pat pranešė apie tamsaus silicio atėjimą.

Tamsusis silicio amžius

Netrukus paaiškėjo, kad jei vienu metu bus naudojama per daug šerdžių, elektros srovė gali nutekėti, o tai atgaivins perkaitimo problemą, dėl kurios Dennardas sumažino vieno branduolio lustų mastelį.

Rezultatas yra daugelio branduolių procesoriai, kurie negali naudoti visų savo branduolių vienu metu. Kuo daugiau šerdžių pridedate, tuo daugiau mikroschemos tranzistorių reikia išjungti arba sulėtinti procesą, vadinamą „tamsiuoju siliciu“.

Taigi, nors Moore'o įstatymas ir toliau leidžia daugiau tranzistorių tilpti į mikroschemą, tamsus silicis valgo procesoriaus nekilnojamąjį turtą. Todėl pridėti daugiau branduolių tampa beprasmiška, nes negalite jų visų naudoti vienu metu.

Atrodo, kad Moore'o įstatymo palaikymas naudojant kelis branduolius yra aklavietė.

Kaip Moore'o įstatymas galėtų tęstis

Viena iš priemonių yra tobulinti programinės įrangos daugiaprocesoriškumą. „Java“, „C ++“ ir kitos kalbos, skirtos pavieniams branduoliams, užleis vietą tokiems kaip „Go“, kurie geriau veikia vienu metu.

Kita galimybė yra padidinti programuojamų laukų matricų (FPGA) naudojimą. Tai yra pritaikomas procesorius, kurį galima perkonfigūruoti atliekant konkrečias užduotis. Pavyzdžiui, klientas gali optimizuoti vieną FPGA, kad galėtų tvarkyti vaizdo įrašą, arba gali būti specialiai pritaikytas dirbtinio intelekto programoms paleisti.

Tranzistorių iš skirtingų medžiagų, tokių kaip grafenas, statyba yra dar viena tiriama sritis, kad iš Moore'o prognozių būtų išspaudžiama daugiau gyvybės. Kvantinis skaičiavimas gali visiškai pakeisti žaidimą.

Ateitis priklauso Koomey įstatymui

2011 m. Profesorius Jonathanas Koomey parodė, kad didžiausias energijos efektyvumas (procesoriaus, veikiančio didžiausiu greičiu, efektyvumas) atkartoja Moore'o įstatyme aprašytą apdorojimo galios trajektoriją.

Koomey'io įstatymas pastebėjo, kad nuo 1940-ųjų vakuuminių vamzdžių žvėrių iki 1990-ųjų nešiojamųjų kompiuterių skaičiavimai vienam energijos džauliui patikimai padvigubėjo kas 1,57 metų. Kitaip tariant, tam tikros užduoties naudojama baterija kas 19 mėnesių sumažėjo perpus, todėl energija, reikalinga konkrečiam skaičiavimui, kas dešimtmetį sumažėjo 100 kartų.

Nors Stalo ir nešiojamųjų kompiuterių pasaulyje Moore'o dėsnis ir Dennardo mastelis buvo labai svarbūs, tai, kaip mes naudojame procesoriai taip pasikeitė, kad Koomey įstatymu žadamas energijos vartojimo efektyvumas tikriausiai yra aktualesnis tu.

Skaičiavimo laikas greičiausiai yra padalintas tarp daugelio įrenginių: nešiojamųjų kompiuterių, mobiliųjų telefonų, planšetinių kompiuterių ir įvairių programėlių. Šioje eroje dauginti skaičiavimų, baterijos veikimo laikas ir našumas už vatą tampa vis svarbesni, nei išspausti daugiau GHz iš mūsų daugiagyslių procesorių.

Panašiai, kai daugiau mūsų duomenų apdorojimo perduota masiniams debesų kompiuterijos duomenų centrams, Koomey'io įstatymo poveikis energijos sąnaudoms yra labai įdomus technologijų gigantams.

Tačiau nuo 2000 m. Visos pramonės šakų energijos vartojimo efektyvumo padvigubėjimas, aprašytas Koomey'io įstatyme, sulėtėjo dėl Dennardo mastelio pabaigos ir Moore'o įstatymo sulėtėjimo. Koomey įstatymas dabar vykdomas kas 2,6 metų, o per dešimtmetį energijos vartojimo efektyvumas padidėja tik 16, o ne 100 kartų.

Gali būti per anksti sakyti, kad Koomey'io įstatymas jau seka Dennardo ir Moore'o saulėlydį. 2020 m. AMD pranešė, kad jos „AMD Ryzen 7 4800H“ procesoriaus energijos vartojimo efektyvumas padidėjo koeficientu 31.7 palyginti su 2014 m. procesoriais, tai laiku ir reikšmingai padidino Koomey įstatymą.

Susijęs: Naujasis „Apple“ „M1 Chip“ yra žaidimų keitiklis: viskas, ką reikia žinoti

Iš naujo apibrėžti efektyvumą, siekiant išplėsti Koomey įstatymą

Didžiausias išvesties galios efektyvumas yra tik vienas iš būdų įvertinti skaičiavimo efektyvumą ir toks, kuris dabar gali būti pasenęs.

Ši metrika buvo prasmingesnė praėjusiais dešimtmečiais, kai buvo nedaug kompiuterių, brangių išteklių, kuriuos vartotojai ir programos linkę išstumti iki ribų.

Dabar dauguma procesorių veikia maksimaliai tik nedidelę savo gyvenimo dalį, pavyzdžiui, vykdydami vaizdo žaidimus. Kitos užduotys, pvz., Pranešimų tikrinimas ar naršymas internete, reikalauja daug mažiau energijos. Didžiausias dėmesys tampa vidutiniu energijos vartojimo efektyvumu.

Koomey apskaičiavo šį „tipinio naudojimo efektyvumą“, padalydamas per metus atliktų operacijų skaičių iš visos sunaudotos energijos ir teigia, kad ji turėtų pakeisti originalo „didžiausio naudojimo efektyvumo“ standartą formulavimas.

Nors analizė vis dar turi būti paskelbta, tikimasi, kad nuo 2008 m. Iki 2020 m. Bus įprastas naudojimo efektyvumas maždaug dvigubai kas pusantrų metų, grąžindamas Koomey'io įstatymą į optimalų rodiklį, kuris buvo matomas tada, kai buvo Moore'o įstatymas pagrindinis.

Viena Koomey dėsnio reikšmė yra ta, kad prietaisai ir toliau mažės ir taps mažiau energijos reikalaujantys. Susitraukiantys, bet vis tiek sparčiai veikiantys procesoriai netrukus gali būti tiek mažai galingi, kad galės piešti jų energija tiesiogiai iš aplinkos, pavyzdžiui, fono šiluma, šviesa, judesys ir kita šaltiniai.

Tokie visur esantys apdorojimo prietaisai gali atverti tikrąjį daiktų interneto (IoT) amžių ir priversti jūsų išmanųjį telefoną atrodyti taip pat pasenę, kaip 1940-ųjų vakuuminiai vamzdžiai.

Tačiau mokslininkams ir inžinieriams atrandant ir įgyvendinant vis daugiau naujų būdų optimizuoti „tipinio naudojimo efektyvumą“, tą dalį viso kompiuterio energijos suvartojimo greičiausiai sumažės tiek, kad esant įprastam naudojimo lygiui, tik didžiausia galia bus pakankamai reikšminga priemonė.

Didžiausia galia dar kartą taps energijos vartojimo efektyvumo analizės kriterijumi. Pagal šį scenarijų Koomey įstatymas galiausiai susidurs su tais pačiais fizikos dėsniais, kurie lėtina Moore'o dėsnį.

Tie fizikos dėsniai, kurie apima antrąjį termodinamikos dėsnį, reiškia, kad Koomey'io dėsnis baigsis apie 2048 m.

Kvantinis skaičiavimas viską pakeis

Geros naujienos yra tai, kad iki to laiko kvantinis skaičiavimas turėtų būti gerai išvystytas, o tranzistoriai būtų pagrįsti atskirais atomais įprasta, o nauja mokslininkų karta turės atrasti visai kitus įstatymų rinkinius, kad galėtų numatyti jų ateitį skaičiavimas.

„AMD vs. „Intel“: koks geriausias žaidimų procesorius?

Jei kuriate žaidimų kompiuterį ir esate suplėšytas tarp AMD ir „Intel“ procesorių, atėjo laikas sužinoti, kuris procesorius geriausiai tinka jūsų žaidimų platformai.

Apie autorių