Hvad er Moores lov, og hvorfor dør den?

Hvis du har været opmærksom på teknologiske medier i løbet af det sidste årti, har du sikkert hørt om Moores lov og hvordan det tilsyneladende dør. Desværre er det svært at beskrive, hvad Moores lov er, og hvordan det præcist dør i en standard nyhed. Her er alt, hvad du behøver at vide om Moores lov, hvad det betyder for processorer, hvorfor folk siger, at det er ved at dø, og hvordan virksomheder finder løsninger.

En beskrivende lov for, hvordan chipindustrien har fungeret i årtier

Moores lov blev opfundet af Intels medstifter Gordon Moore i 1965, og den forudsiger, at hvert andet år vil antallet af transistorer (dybest set den mindste komponent i en processor) fordobles. Så hvis du bygger den største chip, du overhovedet kan et år, burde du være i stand til at lave en chip, der har dobbelt så mange transistorer to år senere. Hvis industrien kan mønstre en processor med en million transistorer på et år, om to år, burde en to millioner transistorchip være mulig.

Dette har i høj grad at gøre med den måde, chips fremstilles på gennem noget, der kaldes a proces node. Hver eneste ny proces formodes at være tættere end den sidste, og det er sådan, industrien har været i stand til at opfylde Moores lov-projektioner i årtier. Du undrer dig måske over, hvorfor tæthed er nødvendig for at fortsætte med at øge transistorer; hvorfor ikke bare lave en større chip hvert år? Nå, en enkelt chip kan kun være så stor. De største spåner, der nogensinde er lavet i stor volumen, er højst 800 mm2, som nemt kan passe i din håndflade. Så højere tæthed er nødvendig for at få flere transistorer ind i en chip.

I det meste af computerhistorien var fabrikationsvirksomheder (i daglig tale kaldet fabs) i stand til at lancere nye procesknudepunkter hvert eller andet år og holde Moore's lov i gang. Derudover forbedrede nye noder også frekvens (nogle gange blot kaldet ydeevne) og strømeffektivitet, så at bruge den seneste eller næstnyeste proces var normalt, hvad virksomheder ønskede, medmindre de lavede noget grundlæggende. Moores lov var bare en ubestridt ting, der skete og blev taget for givet.

Hvordan Moores lov dør

Industrien forventede, at sovsetoget af nye noder hvert år eller deromkring ville fortsætte for evigt, men det hele styrtede sammen i det 21. århundrede. Et bekymrende tegn var slutningen af ​​Dennard-skalering, som forudsagde, at mere kompakte transistorer ville være i stand til at ramme højere clock-hastigheder, men det holdt op med at være sandt omkring 65nm-mærket i midten af ​​2000'erne. Ved så små størrelser udviste transistorer ny adfærd, som ingen fysiker kunne have forudset.

Men slutningen af ​​Dennard-skalering var ingenting sammenlignet med krisen, som næsten alle fabrikater i verden stødte på omkring 32nm i begyndelsen af ​​2010'erne. At krympe transistorer ned under 32nm var ekstremt vanskeligt, og i årevis var Intel det eneste firma, der med succes gik over til 22nm noden, den næste fulde opgradering efter 32nm. Det var først i midten af ​​2010'erne, at Intels konkurrenter var i stand til at indhente det, men på det tidspunkt havde branchen ændret sig væsentligt.

Ovenstående diagram illustrerer antallet af virksomheder gennem årene, der var i stand til at lave brancheførende noder i et givet år og generation. Dette tal havde været faldende i årevis, men så ud til at stabilisere sig i slutningen af ​​2000'erne til begyndelsen af ​​2010'erne. Så, da virksomheder begyndte at indse, hvor svært det ville være at komme videre end 32nm, kastede de håndklædet i ringen. Fjorten banebrydende fabs nåede 45nm-knuden, men kun seks af dem nåede 16nm. I dag er kun tre af disse fabs stadig på forkant: Intel, Samsung og TSMC. Mange forventer dog, at enten Samsung eller Intel slutter sig til de faldnes rækker til sidst.

Selv virksomheder, der kan udvikle disse nye noder, kan ikke matche generation-til-generation-gevinsten fra ældre noder. Det bliver sværere at gøre chips tættere; TSMC's 3nm node formåede faktisk ikke at formindske cachen, hvilket er katastrofalt. Og mens tæthedsgevinster falder for hver generation, bliver produktionen dyrere, hvilket forårsager pris pr. transistor at stagnere siden 32nm, hvilket gør det sværere at sælge processorer til lavere priser. Ydeevne- og effektivitetsforbedringer er heller ikke så gode, som de plejede at være.

Alt dette tilsammen er det, der betyder døden af ​​Moores lov for mennesker. Det handler ikke kun om at undlade at fordoble transistorer hvert andet år; det handler om stigende priser, at ramme mure i ydeevnen og ikke at kunne øge effektiviteten så let som før. Dette er et eksistentielt problem for hele computerindustrien.

Hvordan virksomheder opfylder forventningerne til Moores lov, selv mens den er ved at dø

Mens døden af ​​Moores lov unægtelig er et voksende problem, bringer hvert år innovation fra nøgleaktører, hvoraf mange er ved at finde måder at omgå produktionsproblemer, som har plaget industrien i årevis. Mens Moores lov taler om transistorer, kan ånden i Moores lov holdes i live ved blot at møde traditionelle generation-til-generation præstationsforbedringer, og industrien har masser af værktøjer til sin rådighed, værktøjer, der ikke engang eksisterede et årti siden.

AMD og Intels chiplet-teknologi (som Intel kalder fliser) har ikke kun vist sig at opfylde forventningerne til ydeevnen i Moores lov, men også transistorforventningerne. Selvom det er rigtigt, at en enkelt chip kun kan være så stor, kan du teoretisk tilføje masser og masser af chips til en enkelt processor. En chiplet er i bund og grund en lille chip, der er parret med andre chiplets for at lave en komplet processor. AMD's vedtagelse af chiplets i 2019 gjorde det muligt for virksomheden at fordoble antallet af kerner, det tilbød i desktops og servere.

Derudover kan chiplets specialiseres, og det er her teknologien virkelig skinner over for en døende Moores lov. Da cachen ikke rigtig krymper på nyere noder, hvorfor så ikke lægge al cachen på chiplets ved at bruge ældre, billigere noder og processorkernerne på chiplets med den nyeste node? Det er, hvad AMD har gjort med sin 3D V-Cache og dens hukommelsescache dør (eller MCD'er) i avancerede RX 7000 GPU'er som RX 7900 XTX. Nogle af bedste CPU'er og bedste GPU'er fra AMD ville ikke være muligt uden chiplets.

Nvidia, på den anden side, har stolt udråbt Moores lovs død og har satset alt på AI. Ved at accelerere arbejdsbelastningen gennem AI-kompatible Tensor-kerner kan ydeevnen nemt fordobles eller mere, så Nvidia har slet ikke rørt chiplets. AI er dog bestemt en mere software-intensiv løsning. DLSS, Nvidias AI-drevne opløsningsopskaleringsteknologi, kræver indsats fra både spiludviklere og Nvidia for at implementere i spil, og DLSS er heller ikke perfekt.

Den eneste anden mulighed udover disse to er simpelthen at forbedre arkitekturen af ​​processorer og få mere ydeevne fra det samme antal transistorer. Denne vej har historisk set været meget svær for virksomheder at gå ned, og mens nye generationer af processorer bringer arkitektoniske forbedringer, ydelsesforøgelsen er typisk på et-cifret procenter. Uanset hvad, kan det være nødvendigt for chipdesignere at fokusere mere på arkitektoniske opgraderinger fra nu af, fordi dette ikke kun er en fase.