Was ist Moores Gesetz und warum stirbt es aus?

Wenn Sie sich im letzten Jahrzehnt mit technischen Medien beschäftigt haben, haben Sie wahrscheinlich schon von Moores Gesetz gehört wie es anscheinend im Sterben liegt. Leider ist es schwierig zu beschreiben, was Moores Gesetz ist und wie genau es in einer Standardnachrichtensendung verschwindet. Hier finden Sie alles, was Sie über das Mooresche Gesetz wissen müssen, was es für Verarbeiter bedeutet, warum die Leute sagen, dass es ausstirbt, und wie Unternehmen Workarounds finden.

Ein beschreibendes Gesetz dafür, wie die Chipindustrie seit Jahrzehnten funktioniert

Das Mooresche Gesetz wurde 1965 von Intel-Mitbegründer Gordon Moore geprägt und sagt voraus, dass sich die Anzahl der Transistoren (im Grunde die kleinste Komponente in einem Prozessor) alle zwei Jahre verdoppeln wird. Wenn Sie also in einem Jahr den größtmöglichen Chip bauen, sollten Sie zwei Jahre später in der Lage sein, einen Chip mit der doppelten Anzahl an Transistoren herzustellen. Wenn es der Industrie gelingt, in einem Jahr einen Prozessor mit einer Million Transistoren auf den Markt zu bringen, dürfte in zwei Jahren ein Chip mit zwei Millionen Transistoren möglich sein.

Dies hat größtenteils mit der Art und Weise zu tun, wie Chips hergestellt werden Prozessknoten. Jeder einzelne neue Prozess soll dichter sein als der vorherige, und so gelingt es der Branche seit Jahrzehnten, die Prognosen des Mooreschen Gesetzes zu erfüllen. Sie fragen sich vielleicht, warum die Dichte notwendig ist, um die Zahl der Transistoren weiter zu erhöhen; Warum nicht einfach jedes Jahr einen größeren Chip herstellen? Nun, ein einzelner Chip kann nur eine bestimmte Größe haben. Die größten Chips, die jemals in großen Mengen hergestellt wurden, sind höchstens 800 mm2 groß und passen problemlos in Ihre Handfläche. Daher ist eine höhere Dichte erforderlich, um mehr Transistoren auf einem Chip unterzubringen.

Während des größten Teils der Computergeschichte waren Fertigungsunternehmen (umgangssprachlich „Fabs“ genannt) in der Lage, alle ein bis zwei Jahre neue Prozessknoten zu starten und das Mooresche Gesetz am Laufen zu halten. Darüber hinaus verbesserten neue Knoten auch die Frequenz (manchmal einfach als Leistung bezeichnet) und die Energieeffizienz Die Verwendung des neuesten oder zweitneuesten Prozesses war in der Regel das, was Unternehmen wollten, es sei denn, sie stellten etwas her Basic. Moores Gesetz war einfach eine unbestrittene Sache, die geschah und als selbstverständlich angesehen wurde.

Wie Moores Gesetz im Sterben liegt

Die Branche ging davon aus, dass die Reihe neuer Knoten jedes Jahr oder so ewig anhalten würde, doch im 21. Jahrhundert brach alles zusammen. Ein besorgniserregendes Zeichen war das Ende der Dennard-Skalierung, die voraussagte, dass kompaktere Transistoren höhere Taktraten erreichen könnten, doch Mitte der 2000er-Jahre stimmte das nicht mehr bei der 65-nm-Marke. Bei so geringen Abmessungen zeigten Transistoren ein neues Verhalten, das kein Physiker vorhersehen konnte.

Aber das Ende der Dennard-Skalierung war nichts im Vergleich zu der Krise, die Anfang der 2010er Jahre in fast allen Fabriken der Welt bei etwa 32 nm herrschte. Es war äußerst schwierig, Transistoren auf unter 32 nm zu verkleinern, und jahrelang war Intel das einzige Unternehmen, das erfolgreich auf den 22-nm-Knoten umstieg, das nächste vollständige Upgrade nach 32 nm. Erst Mitte der 2010er Jahre gelang es Intels Konkurrenten, aufzuholen, doch bis dahin hatte sich die Branche erheblich verändert.

Die obige Grafik zeigt die Anzahl der Unternehmen im Laufe der Jahre, die in einem bestimmten Jahr und in einer bestimmten Generation branchenführende Knotenpunkte schaffen konnten. Diese Zahl war jahrelang rückläufig, schien sich jedoch Ende der 2000er bis Anfang der 2010er Jahre zu stabilisieren. Als den Unternehmen dann klar wurde, wie schwierig es sein würde, über 32 nm hinaus voranzukommen, warfen sie das Handtuch. Vierzehn hochmoderne Fabriken haben den 45-nm-Knoten erreicht, aber nur sechs von ihnen haben den 16-nm-Knoten erreicht. Heute sind nur noch drei dieser Fabriken auf dem neuesten Stand: Intel, Samsung und TSMC. Viele gehen jedoch davon aus, dass entweder Samsung oder Intel irgendwann zu den Verlierern gehören werden.

Selbst Unternehmen, die diese neuen Knoten entwickeln können, können nicht mit den Generationsgewinnen älterer Knoten mithalten. Es wird immer schwieriger, die Chips dichter zu machen; Der 3-nm-Knoten von TSMC konnte den Cache tatsächlich nicht verkleinern, was katastrophal ist. Und während die Dichtezuwächse von Generation zu Generation abnehmen, wird die Produktion immer teurer, was dazu führt, dass Die Kosten pro Transistor stagnieren seit 32 nm, was es schwieriger macht, Prozessoren zu niedrigeren Preisen zu verkaufen Preise. Auch die Leistungs- und Effizienzverbesserungen sind nicht mehr so ​​gut wie früher.

All dies zusammen bedeutet für die Menschen den Tod des Mooreschen Gesetzes. Es geht nicht nur darum, dass es nicht gelingt, die Transistoren alle zwei Jahre zu verdoppeln; Es geht darum, dass die Preise steigen, die Leistung an Grenzen stößt und die Effizienz nicht mehr so ​​einfach gesteigert werden kann wie zuvor. Dies ist ein existenzielles Problem für die gesamte Computerbranche.

Wie Unternehmen die Erwartungen des Mooreschen Gesetzes erfüllen, auch wenn es im Sterben liegt

Während der Untergang des Mooreschen Gesetzes unbestreitbar ein wachsendes Problem darstellt, bringt jedes Jahr Innovationen von wichtigen Akteuren mit sich. Viele von ihnen finden Wege, Herstellungsprobleme, die die Branche seit Jahren plagen, vollständig zu umgehen. Während es beim Mooreschen Gesetz um Transistoren geht, kann der Geist des Mooreschen Gesetzes durch bloße Begegnung mit Traditionen am Leben gehalten werden Leistungsverbesserungen von Generation zu Generation, und die Branche verfügt über viele Tools, Tools, die es noch nicht einmal gab vor einem Jahrzehnt.

Die Chiplet-Technologie von AMD und Intel (die Intel „Kacheln“ nennt) erfüllt nachweislich nicht nur die Leistungserwartungen des Mooreschen Gesetzes, sondern sogar die Erwartungen an Transistoren. Es stimmt zwar, dass ein einzelner Chip nur eine bestimmte Größe haben kann, aber theoretisch könnten Sie einem einzelnen Prozessor viele, viele Chips hinzufügen. Ein Chiplet ist im Wesentlichen ein kleiner Chip, der zusammen mit anderen Chiplets einen vollständigen Prozessor ergibt. Durch die Einführung von Chiplets durch AMD im Jahr 2019 konnte das Unternehmen die Anzahl der in Desktops und Servern angebotenen Kerne verdoppeln.

Darüber hinaus können Chiplets spezialisiert werden, und hier glänzt die Technologie angesichts eines aussterbenden Mooreschen Gesetzes wirklich. Da der Cache auf neueren Knoten nicht wirklich schrumpft, warum nicht den gesamten Cache auf Chiplets mit älteren, günstigeren Knoten und die Prozessorkerne auf Chiplets mit dem neuesten Knoten verlegen? Genau das hat AMD damit gemacht 3D-V-Cache und sein Speichercache stirbt (oder MCDs) in High-End-RX 7000-GPUs wie dem RX 7900 XTX. Einige der beste CPUs Und beste GPUs von AMD wäre ohne Chiplets nicht möglich.

Nvidia hingegen hat stolz verkündet den Tod von Moores Gesetz und hat alles auf KI gesetzt. Durch die Beschleunigung von Arbeitslasten durch KI-fähige Tensor-Kerne lässt sich die Leistung leicht verdoppeln oder sogar noch steigern, sodass Nvidia überhaupt nichts mit Chiplets zu tun hat. Allerdings ist KI sicherlich eine softwareintensivere Lösung. DLSSDie Implementierung von Nvidias KI-gestützter Auflösungsskalierungstechnologie in Spielen erfordert Anstrengungen sowohl von Spieleentwicklern als auch von Nvidia, und auch DLSS ist nicht perfekt.

Abgesehen von diesen beiden Möglichkeiten besteht die einzige andere Möglichkeit darin, einfach die Architektur der Prozessoren zu verbessern und bei gleicher Anzahl an Transistoren mehr Leistung zu erzielen. Dieser Weg war in der Vergangenheit für Unternehmen und auch für neue Generationen sehr schwierig Prozessoren bringen architektonische Verbesserungen mit sich, die Leistungssteigerung liegt typischerweise im einstelligen Bereich Prozentsätze. Unabhängig davon könnte es für Chipdesigner notwendig sein, sich von nun an mehr auf Architektur-Upgrades zu konzentrieren, da dies nicht nur eine Phase ist.