Co je to Moorův zákon a proč umírá?

Pokud jste v posledním desetiletí věnovali pozornost technickým médiím, pravděpodobně jste slyšeli o Moorově zákoně a jak to zřejmě umírá. Bohužel je těžké popsat, co je to Mooreův zákon a jak přesně umírá ve standardní novince. Zde je vše, co potřebujete vědět o Moorově zákonu, co to znamená pro procesory, proč lidé říkají, že umírá a jak společnosti nacházejí řešení.

Popisný zákon o tom, jak průmysl čipů funguje po celá desetiletí

Moorův zákon byl vytvořen spoluzakladatelem Intelu Gordonem Mooreem v roce 1965 a předpovídá, že každé dva roky se počet tranzistorů (v podstatě nejmenší součástky v procesoru) zdvojnásobí. Takže pokud jeden rok budujete největší čip, jaký můžete, měli byste být schopni vyrobit čip, který má dvakrát více tranzistorů, o dva roky později. Pokud průmysl dokáže shromáždit procesor s milionem tranzistorů za jeden rok, za dva roky by měl být možný dvoumilionový tranzistorový čip.

To do značné míry souvisí se způsobem výroby čipů prostřednictvím něčeho, čemu se říká a

procesní uzel. Předpokládá se, že každý jednotlivý nový proces bude hustší než ten předchozí, což je způsob, jakým průmysl dokázal po celá desetiletí splnit projekce Moorova zákona. Možná se divíte, proč je hustota nezbytná k tomu, aby se tranzistory neustále zvětšovaly; proč prostě neudělat každý rok větší čip? No, jediný čip může být jen tak velký. Největší čipy, které kdy byly vyrobeny ve velkém objemu, mají maximálně 800 mm2, což se snadno vejde do dlaně. Pro vložení více tranzistorů do čipu je tedy nutná vyšší hustota.

Po většinu historie výpočetní techniky byly výrobní společnosti (hovorově nazývané fabs) schopny každý rok nebo dva spouštět nové procesní uzly a udržovat Moorův zákon v chodu. Kromě toho nové uzly také zlepšily frekvenci (někdy jednoduše nazývanou výkon) a energetickou účinnost použití nejnovějšího nebo druhého nejnovějšího procesu bylo obvykle to, co společnosti chtěly, pokud něco nevyráběly základní. Moorův zákon byl prostě nezpochybnitelná věc, která se stala a byla považována za samozřejmost.

Jak umírá Moorův zákon

Průmysl očekával, že nápor nových uzlů každý rok bude pokračovat navždy, ale vše se zhroutilo v 21. století. Jedním znepokojivým znamením byl konec Dennardova škálování, který předpovídal, že kompaktnější tranzistory budou schopny dosáhnout vyšších taktů, ale to přestalo platit kolem 65nm značky v polovině 2000s. V tak malých velikostech vykazovaly tranzistory nové chování, které žádný fyzik nemohl předvídat.

Konec Dennardova škálování však nebyl ničím ve srovnání s krizí, se kterou se na začátku roku 2010 setkala téměř každá fabrika na světě kolem 32nm. Zmenšení tranzistorů pod 32nm bylo extrémně obtížné a Intel byl po léta jedinou společností, která úspěšně přešla na 22nm uzel, další úplný upgrade po 32nm. Až v polovině roku 2010 se konkurentům Intelu podařilo dohnat náskok, ale do té doby se odvětví podstatně změnilo.

Výše uvedený graf ilustruje počet společností v průběhu let, které byly schopny vytvořit špičkové uzly v daném roce a generaci. Toto číslo po léta klesalo, ale zdálo se, že se koncem roku 2000 až začátkem roku 2010 stabilizuje. Když si pak společnosti začaly uvědomovat, jak těžké bude pokročit za 32nm, hodily ručník do ringu. Na 45nm uzel se dostalo čtrnáct špičkových fabií, ale na 16nm se jich dostalo jen šest. Dnes jsou na špičce pouze tři z těchto fabií: Intel, Samsung a TSMC. Mnozí však očekávají, že se k řadám padlých nakonec připojí Samsung nebo Intel.

Dokonce ani společnosti, které dokážou vyvinout tyto nové uzly, se nemohou rovnat mezigeneračním ziskům starších uzlů. Je stále těžší udělat hranolky hustší; 3nm uzel TSMC ve skutečnosti nedokázal zmenšit mezipaměť, což je katastrofální. A zatímco přírůstky hustoty každou generací klesají, výroba je stále dražší, což způsobuje náklady na tranzistor od 32nm stagnují, což ztěžuje prodej procesorů za nižší cenu ceny. Zlepšení výkonu a efektivity také není tak dobré, jak bývalo.

To vše dohromady znamená pro lidi smrt Moorova zákona. Nejde jen o selhání zdvojení tranzistorů každé dva roky; jde o rostoucí ceny, narážení na zdi ve výkonu a neschopnost zvýšit efektivitu tak snadno jako dříve. To je existenční problém pro celý výpočetní průmysl.

Jak společnosti plní očekávání Moorova zákona, i když umírá

Zatímco smrt Moorova zákona je nepopiratelně rostoucím problémem, každý rok přináší inovace od klíčových hráčů, mnohé z nich hledají způsoby, jak zcela obejít výrobní problémy, které toto odvětví sužují léta. Zatímco Moorův zákon hovoří o tranzistorech, ducha Moorova zákona lze udržet naživu pouhým setkáním s tradičními zlepšení výkonu z generace na generaci a průmysl má k dispozici spoustu nástrojů, nástrojů, které ani neexistovaly před deseti lety.

Čipletová technologie AMD a Intelu (kterou Intel nazývá dlaždice) nejen prokázala, že splňuje výkonnostní očekávání Moorova zákona, ale dokonce i očekávání tranzistorů. I když je pravda, že jeden čip může být jen tak velký, teoreticky můžete do jednoho procesoru přidat spoustu a spoustu čipů. Čiplet je v podstatě malý čip, který je spárován s jinými čiplety a tvoří tak kompletní procesor. Přijetí čipů AMD v roce 2019 umožnilo společnosti zdvojnásobit počet jader, která nabízí v desktopech a serverech.

Kromě toho lze čipy specializovat, a to je místo, kde tato technologie skutečně září tváří v tvář umírajícímu Moorovu zákonu. Protože se cache na novějších uzlech ve skutečnosti nezmenšuje, proč neumístit veškerou mezipaměť na čiplety pomocí starších, levnějších uzlů a jádra procesoru na čiplety s nejnovějším uzlem? To je to, co AMD dělá se svými 3D V-Cache a jeho mezipaměť umírá (nebo MCD) ve špičkových GPU RX 7000, jako je RX 7900 XTX. Některé z nejlepší CPU a nejlepší GPU od AMD by to bez chipletů nešlo.

Nvidia na druhou stranu hrdě prohlásil smrt Moorova zákona a vsadil vše na AI. Zrychlením pracovního zatížení prostřednictvím jader Tensor s podporou AI se výkon může snadno zdvojnásobit nebo více, takže Nvidia se čipletů vůbec nedotkla. AI je však určitě softwarově náročnější řešení. DLSS, technologie Nvidia pro zvýšení rozlišení s umělou inteligencí, vyžaduje úsilí herních vývojářů i Nvidie k implementaci do her a DLSS také není dokonalé.

Jedinou další možností kromě těchto dvou je jednoduše vylepšit architekturu procesorů a získat více výkonu ze stejného počtu tranzistorů. Tato cesta byla historicky velmi obtížné pro společnosti jít dolů, a zatímco nové generace procesory přinášejí architektonická vylepšení, nárůst výkonu je obvykle jednociferný procentech. Bez ohledu na to může být nutné, aby se návrháři čipů od nynějška více zaměřili na architektonické upgrady, protože to není jen fáze.