Какво е законът на Мур и защо умира?

Ако сте обръщали внимание на технологичните медии през последното десетилетие, вероятно сте чували за закона на Мур и как очевидно умира. За съжаление е трудно да се опише какво представлява законът на Мур и как точно той умира в стандартна новина. Ето всичко, което трябва да знаете за закона на Мур, какво означава той за процесорите, защо хората казват, че той умира и как компаниите намират заобиколни решения.

Описателен закон за това как индустрията на чипове работи от десетилетия

Законът на Мур е въведен от съоснователя на Intel Гордън Мур през 1965 г. и предвижда, че на всеки две години броят на транзисторите (по същество най-малкият компонент в един процесор) ще се удвоява. Така че, ако изграждате най-големия чип, който можете да направите една година, трябва да сте в състояние да направите чип, който има два пъти повече транзистори две години по-късно. Ако индустрията може да събере процесор с един милион транзистора за една година, след две години би трябвало да е възможен чип с два милиона транзистора.

Това до голяма степен е свързано с начина, по който чиповете се произвеждат чрез нещо, наречено a процесен възел. Предполага се, че всеки един нов процес е по-плътен от предишния, което е начинът, по който индустрията успява да изпълни прогнозите на закона на Мур от десетилетия. Може би се чудите защо е необходима плътност, за да продължите да увеличавате транзисторите; защо просто не правите по-голям чип всяка година? Е, един чип може да бъде толкова голям. Най-големите чипове, правени някога в голям обем, са най-много 800 mm2, които лесно могат да се поберат в дланта ви. Така че е необходима по-висока плътност, за да се вкарат повече транзистори в един чип.

През по-голямата част от компютърната история компаниите за производство (разговорно наричани фабрики) успяха да стартират нови процесни възли на всяка година или две и да поддържат закона на Мур в движение. Освен това, новите възли също така подобриха честотата (понякога просто наричана производителност) и енергийната ефективност, така че използването на най-новия или втория най-нов процес обикновено беше това, което компаниите искаха, освен ако не правеха нещо основен. Законът на Мур беше просто неоспоримо нещо, което се случи и се приемаше за даденост.

Как законът на Мур умира

Индустрията очакваше влакът от нови възли всяка година или така да продължи вечно, но всичко се срина през 21 век. Един тревожен знак беше краят на скалирането на Dennard, което предвиждаше, че по-компактните транзистори ще могат да постигнат по-високи тактови честоти, но това престана да е вярно около марката от 65nm в средата на 2000-те години. При такива малки размери транзисторите проявяваха ново поведение, което никой физик не би могъл да предвиди.

Но краят на мащабирането на Dennard не беше нищо в сравнение с кризата, с която почти всяка фабрика в света се сблъска около 32nm в началото на 2010 г. Свиването на транзисторите под 32nm беше изключително трудно и години наред Intel беше единствената компания, която успешно премина към 22nm възел, следващото пълно надграждане след 32nm. Едва в средата на 2010 г. конкурентите на Intel успяха да наваксат, но дотогава индустрията се беше променила значително.

Графиката по-горе илюстрира броя на компаниите през годините, които са успели да създадат водещи в индустрията възли през дадена година и поколение. Този брой намалява от години, но изглежда се стабилизира в края на 2000-те до началото на 2010-те. След това, когато компаниите започнаха да осъзнават колко трудно би било да се премине отвъд 32n, те хвърлиха кърпата. Четиринадесет авангардни фабрики стигнаха до 45nm възел, но само шест от тях стигнаха до 16nm. Днес само три от тези фабрики все още са на върха: Intel, Samsung и TSMC. Мнозина обаче очакват или Samsung, или Intel да се присъединят към редиците на падналите в крайна сметка.

Дори компаниите, които могат да разработят тези нови възли, не могат да достигнат печалбите от поколение на поколение на по-старите възли. Става все по-трудно да се направи чипсът по-плътен; 3nm възелът на TSMC всъщност не успя да свие кеша, което е пагубно. И докато увеличаването на плътността намалява с всяко поколение, производството става все по-скъпо, което води до цената на транзистор да стагнира от 32nm насам, което прави по-трудно продажбата на процесори на по-ниски цени цени. Подобренията в производителността и ефективността също не са толкова добри, колкото бяха.

Всичко това заедно е това, което означава смъртта на закона на Мур за хората. Не става въпрос само за неудвояване на транзисторите на всеки две години; става дума за покачване на цените, удряне на стени в производителността и невъзможност за повишаване на ефективността толкова лесно, колкото преди. Това е екзистенциален проблем за цялата компютърна индустрия.

Как компаниите отговарят на очакванията на закона на Мур, дори когато той умира

Докато смъртта на закона на Мур безспорно е нарастващ проблем, всяка година носи иновации от ключови играчи, много от които намират начини да заобиколят напълно производствените проблеми, които тормозят индустрията от години. Докато законът на Мур говори за транзистори, духът на закона на Мур може да бъде поддържан жив само чрез спазване на традиционните подобрения в производителността от поколение на поколение и индустрията има много инструменти на свое разположение, инструменти, които дори не са съществували преди десетилетие.

Чиплет технологията на AMD и Intel (която Intel нарича плочки) не само доказа, че отговаря на очакванията за производителност на закона на Мур, но дори и на транзисторните очаквания. Въпреки че е вярно, че един чип може да бъде толкова голям, теоретично можете да добавите много и много чипове към един процесор. Чиплетът е по същество малък чип, който е свързан с други чиплети, за да направи пълен процесор. Приемането на чиплети от AMD през 2019 г. позволи на компанията да удвои броя на ядрата, които предлага в настолни компютри и сървъри.

Освен това, чиплетите могат да бъдат специализирани и това е мястото, където технологията наистина блести в лицето на умиращия закон на Мур. Тъй като кешът наистина не се свива на по-новите възли, защо не поставите целия кеш на чиплети, използвайки по-стари, по-евтини възли и процесорните ядра на чиплети с най-новия възел? Това е, което AMD прави със своя 3D V-Cache и неговият кеш памет умира (или MCD) в RX 7000 GPU от висок клас като RX 7900 XTX. Някои от най-добрите процесори и най-добрите графични процесори от AMD не би било възможно без чиплети.

Nvidia, от друга страна, гордо обяви смъртта на закона на Мур и заложи всичко на AI. Чрез ускоряване на работните натоварвания чрез съвместими с AI Tensor ядра, производителността може лесно да се удвои или повече, така че Nvidia изобщо не е докоснала чиплетите. Въпреки това AI със сигурност е по-интензивно софтуерно решение. DLSS, задвижваната от AI технология за увеличаване на разделителната способност на Nvidia, изисква усилия както от разработчиците на игри, така и от Nvidia за внедряване в игрите, а DLSS също не е перфектен.

Единствената друга опция освен тези две е просто да подобрите архитектурата на процесорите и да получите повече производителност от същия брой транзистори. В исторически план този път е бил много труден за компаниите и докато новите поколения процесорите носят архитектурни подобрения, повишаването на производителността обикновено е едноцифрено проценти. Независимо от това, може да се наложи дизайнерите на чипове да се фокусират повече върху архитектурните надстройки от сега нататък, защото това не е просто фаза.