Mis on Moore'i seadus ja miks see sureb?

Kui olete viimase kümnendi jooksul tehnoloogilisele meediale tähelepanu pööranud, olete ilmselt kuulnud Moore'i seadusest ja kuidas see ilmselt sureb. Kahjuks on tavalises uudises raske kirjeldada, mis on Moore'i seadus ja kuidas see täpselt sureb. Siin on kõik, mida peate teadma Moore'i seaduse kohta, mida see protsessorite jaoks tähendab, miks inimesed ütlevad, et see sureb ja kuidas ettevõtted leiavad lahendusi.

Kirjeldav seadus, kuidas kiibitööstus on aastakümneid töötanud

Moore'i seaduse lõi Inteli kaasasutaja Gordon Moore 1965. aastal ja see ennustab, et iga kahe aasta järel kahekordistub transistoride (põhimõtteliselt protsessori väikseim komponent) arv. Nii et kui ehitate ühe aasta jooksul võimalikult suure kiibi, peaksite kaks aastat hiljem suutma teha kiibi, millel on kaks korda rohkem transistore. Kui tööstus suudab ühe aastaga koguda ühe miljoni transistoriga protsessori, peaks kahe aasta pärast võimalik olema kahe miljoni transistori kiip.

See on suures osas seotud sellega, kuidas kiipe valmistatakse millegi nimega a protsessi sõlm. Iga uus protsess peaks olema eelmisest tihedam, mistõttu on tööstus suutnud aastakümneid täita Moore'i seaduse prognoose. Võite küsida, miks on tihedus vajalik transistoride suurendamiseks; miks mitte teha igal aastal suurem kiip? Noh, üks kiip saab olla ainult nii suur. Suurimad suurtes kogustes valmistatud laastud on maksimaalselt 800 mm2, mis mahuvad hõlpsalt teie peopessa. Seega on vaja suuremat tihedust, et saada kiibile rohkem transistore.

Suurema osa andmetöötluse ajaloost suutsid tootmisettevõtted (kõnekeeles fabs) iga aasta või kahe aasta tagant käivitada uued protsessisõlmed ja hoida Moore'i seadust järgides. Lisaks parandasid uued sõlmed ka sagedust (mõnikord nimetatakse seda lihtsalt jõudluseks) ja energiatõhusust, nii et Tavaliselt soovisid ettevõtted kasutada uusimat või teist viimast protsessi, kui nad just midagi ei valmistanud põhilised. Moore'i seadus oli lihtsalt vaieldamatu asi, mis juhtus ja mida peeti iseenesestmõistetavaks.

Kuidas Moore'i seadus sureb

Tööstus eeldas, et igal aastal uute sõlmede hulk jätkub igavesti, kuid see kõik kukkus 21. sajandil kokku. Üks murettekitav märk oli Dennardi skaleerimise lõpp, mis ennustas, et kompaktsemad transistorid suudavad saavutada suuremat taktsagedust, kuid see ei kehtinud 2000. aastate keskel 65 nm piiril. Nii väikese suurusega transistorid ilmutasid uut käitumist, mida ükski füüsik poleks osanud ette näha.

Kuid Dennardi skaleerimise lõpp ei olnud midagi võrreldes kriisiga, mida 2010. aastate alguses kostis peaaegu kõigi maailma fabide lainepikkusel umbes 32 nm. Transistoride kahandamine alla 32 nm oli äärmiselt keeruline ja aastaid oli Intel ainus ettevõte, kes edukalt üle läks 22 nm sõlmele, mis on järgmine täielik uuendus pärast 32 nm. Alles 2010. aastate keskpaigas suutsid Inteli konkurendid järele jõuda, kuid selleks ajaks oli tööstus oluliselt muutunud.

Ülaltoodud diagramm illustreerib ettevõtete arvu aastate jooksul, mis suutsid konkreetsel aastal ja põlvkonnal luua tööstusharu juhtivaid sõlme. See arv oli aastaid kahanenud, kuid näis 2000. aastate lõpust 2010. aastate alguseni stabiliseeruvat. Siis, kui ettevõtted hakkasid mõistma, kui raske on 32 nm-st kaugemale jõuda, heitsid nad rätiku sisse. 45 nm sõlme jõudis 14 tipptasemel toodet, kuid ainult kuus neist jõudsid 16 nm. Tänapäeval on neist tipptasemel endiselt ainult kolm: Intel, Samsung ja TSMC. Paljud aga ootavad, et kas Samsung või Intel ühinevad lõpuks langenute ridadega.

Isegi ettevõtted, kes suudavad neid uusi sõlme arendada, ei suuda võrrelda vanemate sõlmede põlvkonnalt põlvkonna kasvu. Laastude tihedamaks muutmine muutub üha raskemaks; TSMC 3 nm sõlmel ei õnnestunud vahemälu kahandada, mis on katastroofiline. Ja kuigi tiheduse suurenemine väheneb iga põlvkonnaga, muutub tootmine kallimaks, põhjustades hind ühe transistori kohta langeb 32 nm peale, mis muudab protsessorite madalama hinnaga müümise keerulisemaks hinnad. Samuti ei ole jõudluse ja tõhususe paranemine enam nii hea kui varem.

Kõik see kokku tähendab Moore'i seaduse surma inimeste jaoks. See ei tähenda ainult transistoride kahekordistamist iga kahe aasta tagant; see seisneb hindade tõustes, jõudluses müüride tabamises ja suutmatus tõhusust nii lihtsalt tõsta kui varem. See on kogu arvutitööstuse eksistentsiaalne probleem.

Kuidas ettevõtted vastavad Moore'i seaduse ootustele isegi siis, kui see sureb

Kuigi Moore'i seaduse surm on vaieldamatult kasvav probleem, toob iga aasta võtmeisikutelt uuendusi, millest paljud leiavad viise, kuidas täielikult mööda minna tootmisprobleemidest, mis on tööstust aastaid vaevanud. Kui Moore'i seadus räägib transistoridest, saab Moore'i seaduse vaimu elus hoida, kui vastate traditsioonilistele põlvest põlve jõudluse täiustused ja tööstuse käsutuses on palju tööriistu, tööriistu, mida isegi ei eksisteerinud kümmekond aastat tagasi.

AMD ja Inteli kiibitehnoloogia (mida Intel nimetab plaatideks) ei vasta mitte ainult Moore'i seaduses sätestatud jõudluse ootustele, vaid ka transistori ootustele. Kuigi on tõsi, et üks kiip saab olla ainult nii suur, võite teoreetiliselt lisada ühele protsessorile palju ja palju kiipe. Kiip on sisuliselt väike kiip, mis on ühendatud teiste kiibidega, et luua terviklik protsessor. AMD kiibistiku kasutuselevõtt 2019. aastal võimaldas ettevõttel kahekordistada lauaarvutites ja serverites pakutavate tuumade arvu.

Lisaks saab kiibikke spetsialiseeruda ja see on koht, kus tehnoloogia sureva Moore'i seaduse ees tõeliselt särab. Kuna vahemälu uuemates sõlmedes tegelikult ei vähene, siis miks mitte panna kogu vahemälu vanemaid ja odavamaid sõlme kasutavatesse kiibidesse ja protsessori tuumad uusima sõlmega kiibidesse? Seda on AMD omaga teinud 3D V-vahemälu ja selle mälu vahemälu sureb (või MCD-d) tipptasemel RX 7000 GPU-des, nagu RX 7900 XTX. Mõned parimad protsessorid ja parimad GPU-d AMD-lt poleks kiipideta võimalik.

Nvidia seevastu on uhkelt kuulutanud Moore'i seaduse surm ja on kõik AI-le pannud. Töökoormust kiirendades AI-toega Tensori tuumade kaudu võib jõudlus kergesti kahekordistuda või rohkemgi, nii et Nvidia pole kiibikke üldse puudutanud. AI on aga kindlasti tarkvaramahukam lahendus. DLSS, Nvidia AI-toega eraldusvõime suurendamise tehnoloogia, nõuab mängudes juurutamiseks jõupingutusi nii mängude arendajatelt kui ka Nvidialt ning ka DLSS pole täiuslik.

Ainus teine ​​võimalus peale nende kahe on lihtsalt protsessorite arhitektuuri täiustamine ja sama arvu transistoride jõudluse suurendamine. Seda teed on olnud ettevõtetel ja uutel põlvkondadel ajalooliselt väga raske läbida protsessorid toovad kaasa arhitektuurilisi täiustusi, jõudluse tõus on tavaliselt ühekohaline protsentides. Sellest hoolimata võib kiibidisaineritel olla vaja nüüdsest rohkem keskenduda arhitektuurilistele uuendustele, sest see pole ainult etapp.