Mikä on Mooren laki ja miksi se kuolee?

Jos olet kiinnittänyt huomiota teknologiseen mediaan viimeisen vuosikymmenen aikana, olet todennäköisesti kuullut Mooren laista ja kuinka se ilmeisesti kuolee. Valitettavasti on vaikea kuvailla, mikä Mooren laki on ja kuinka se tarkalleen kuolee tavallisessa uutiskappaleessa. Tässä on kaikki, mitä sinun tulee tietää Mooren laista, mitä se tarkoittaa prosessoreille, miksi ihmiset sanovat sen kuolevan ja miten yritykset löytävät ratkaisuja.

Kuvaava laki siitä, kuinka siruteollisuus on toiminut vuosikymmeniä

Mooren lain loi Intelin toinen perustaja Gordon Moore vuonna 1965, ja se ennustaa, että joka toinen vuosi transistorien määrä (periaatteessa prosessorin pienin komponentti) kaksinkertaistuu. Joten jos olet rakentamassa suurinta mahdollista sirua yhden vuoden ajan, sinun pitäisi pystyä valmistamaan siru, jossa on kaksi kertaa enemmän transistoreita, kaksi vuotta myöhemmin. Jos teollisuus pystyy keräämään miljoonan transistorin prosessorin yhdessä vuodessa, kahden vuoden kuluttua kahden miljoonan transistorisirun pitäisi olla mahdollista.

Tämä liittyy suurelta osin siihen, miten sirut valmistetaan a prosessisolmu. Jokaisen uuden prosessin oletetaan olevan edellistä tiheämpi, joten teollisuus on kyennyt täyttämään Mooren lain ennusteet vuosikymmeniä. Saatat ihmetellä, miksi tiheys on tarpeen transistorien kasvattamiseksi; miksi ei vain tehdä isompaa sirua joka vuosi? No, yksi siru voi olla vain niin suuri. Suurimmat koskaan suuressa volyymissa tehdyt lastut ovat korkeintaan 800mm2, jotka mahtuvat helposti kämmenelle. Joten suurempi tiheys on tarpeen saada enemmän transistoreita sirulle.

Suurimman osan tietojenkäsittelyn historiasta valmistusyritykset (puhekielessä fabs) pystyivät käynnistämään uusia prosessisolmuja vuosittain tai parin välein ja pitämään Mooren lain voimassa. Lisäksi uudet solmut paransivat myös taajuutta (joskus kutsutaan yksinkertaisesti suorituskyvyksi) ja tehotehokkuutta, joten Viimeisimmän tai toiseksi viimeisimmän prosessin käyttäminen oli yleensä sitä, mitä yritykset halusivat, elleivät he valmistaneet jotain perus. Mooren laki oli vain kiistaton asia, joka tapahtui ja pidettiin itsestäänselvyytenä.

Kuinka Mooren laki kuolee

Teollisuus odotti joka vuosi uusien solmujen kastikkeen jatkuvan ikuisesti, mutta kaikki kaatui 2000-luvulla. Yksi huolestuttava merkki oli Dennardin skaalauksen loppuminen, joka ennusti, että pienemmät transistorit kykenisivät saavuttamaan suurempia kellotaajuuksia, mutta se lakkasi olemasta totta noin 65 nm: n rajalla 2000-luvun puolivälissä. Tällaisissa pienikokoisissa transistoreissa oli uutta käyttäytymistä, jota kukaan fyysikko ei olisi voinut ennakoida.

Mutta Dennardin skaalauskauden loppu ei ollut mitään verrattuna kriisiin, joka melkein jokaisessa maailmassa kohtasi noin 32 nm 2010-luvun alussa. Transistorien kutistaminen alle 32 nm: n oli äärimmäisen vaikeaa, ja vuosien ajan Intel oli ainoa yritys, joka siirtyi onnistuneesti 22 nm: n solmuun, seuraava täysi päivitys 32 nm: n jälkeen. Intelin kilpailijat pystyivät kuromaan kiinni vasta 2010-luvun puolivälissä, mutta siihen mennessä ala oli muuttunut huomattavasti.

Yllä oleva kaavio havainnollistaa niiden yritysten lukumäärää vuosien varrella, jotka pystyivät tekemään alan johtavia solmuja tietyn vuoden ja sukupolven aikana. Määrä oli laskenut vuosia, mutta näytti vakiintuvan 2000-luvun lopulla 2010-luvun alkuun. Sitten kun yritykset alkoivat ymmärtää, kuinka vaikeaa olisi edetä 32 nm: n yli, he heittivät pyyhkeen. Neljätoista huippukonetta pääsi 45 nm: n solmuun, mutta vain kuusi niistä pääsi 16 nm: iin. Nykyään vain kolme näistä fabeista on edelleen kärjessä: Intel, Samsung ja TSMC. Monet kuitenkin odottavat, että joko Samsung tai Intel liittyy lopulta kaatuneiden joukkoon.

Jopa yritykset, jotka voivat kehittää näitä uusia solmuja, eivät pysty vastaamaan vanhempien solmujen sukupolvelta toiselle. On yhä vaikeampaa tehdä lastuista tiheämpiä; TSMC: n 3 nanometrin solmu ei itse asiassa onnistunut pienentämään välimuistia, mikä on tuhoisaa. Ja vaikka tiheyden kasvu laskee joka sukupolvi, tuotanto kallistuu, mikä aiheuttaa transistorin hinta on pysähtynyt 32 nm: n jälkeen, mikä vaikeuttaa prosessorien myymistä halvemmalla hinnat. Suorituskyvyn ja tehokkuuden parannukset eivät myöskään ole yhtä hyviä kuin ennen.

Kaikki tämä yhdessä merkitsee Mooren lain kuolemaa ihmisille. Kyse ei ole vain transistorien kaksinkertaistamisen epäonnistumisesta kahden vuoden välein; Kyse on hintojen noususta, suorituskyvyn muurin törmäämisestä ja tehokkuuden lisäämisestä niin helposti kuin ennen. Tämä on eksistentiaalinen ongelma koko tietotekniikkateollisuudelle.

Kuinka yritykset täyttävät Mooren lain odotukset, vaikka se on kuolemassa

Vaikka Mooren lain kuolema on kiistatta kasvava ongelma, jokainen vuosi tuo innovaatioita avaintoimijoilta, joista monet löytävät tapoja täysin ohittaa valmistusongelmat, jotka ovat vaivanneet alaa vuosia. Vaikka Mooren laki puhuu transistoreista, Mooren lain henki voidaan pitää elossa vain tavata perinteisiä sukupolvelta sukupolveen suorituskyvyn parannuksia, ja alalla on käytössään paljon työkaluja, joita ei edes ollut olemassa vuosikymmen sitten.

AMD: n ja Intelin siruteknologia (jota Intel kutsuu tiileiksi) ei ole vain osoittanut täyttävän Mooren lain suorituskykyodotukset, vaan myös transistorin odotukset. Vaikka on totta, että yksi siru voi olla vain niin suuri, voit teoriassa lisätä paljon ja paljon siruja yhteen prosessoriin. Siru on pohjimmiltaan pieni siru, joka on yhdistetty muiden sirujen kanssa täydelliseksi prosessoriksi. AMD: n sirujen käyttöönotto vuonna 2019 antoi sille mahdollisuuden kaksinkertaistaa pöytätietokoneissa ja palvelimissa tarjoamiensa ytimien määrän.

Lisäksi sirut voivat olla erikoistuneita, ja tässä tekniikka todella loistaa kuoleva Mooren lain edessä. Koska välimuisti ei todellakaan kutistu uudemmissa solmuissa, miksi et laittaisi kaikkea välimuistia siruihin käyttämällä vanhempia, halvempia solmuja ja prosessoriytimiä siruihin, joissa on uusin solmu? Sitä AMD on tehnyt sen kanssa 3D V-välimuisti ja sen välimuisti kuolee (tai MCD: t) huippuluokan RX 7000 -grafiikkasuorittimiin, kuten RX 7900 XTX. Jotkut parhaat prosessorit ja parhaat GPU: t AMD: ltä ei olisi mahdollista ilman siruja.

Nvidia puolestaan on ylpeänä julistanut Mooren lain kuolema ja on panostanut kaiken tekoälyyn. Nopeuttamalla työtaakkaa tekoälyä tukevien Tensor-ytimien avulla suorituskyky voi helposti kaksinkertaistua tai enemmän, joten Nvidia ei ole koskenut siruihin ollenkaan. Tekoäly on kuitenkin varmasti ohjelmistointensiivisempi ratkaisu. DLSS, Nvidian tekoälyllä toimiva resoluution parannustekniikka, vaatii sekä pelinkehittäjiltä että Nvidialta ponnisteluja sen toteuttamiseksi peleissä, eikä DLSS ole myöskään täydellinen.

Ainoa toinen vaihtoehto näiden kahden lisäksi on yksinkertaisesti parantaa prosessorien arkkitehtuuria ja saada enemmän suorituskykyä samasta määrästä transistoreita. Tätä polkua on historiallisesti ollut erittäin vaikea edetä yrityksille, ja samalla uusille sukupolville prosessorit tuovat arkkitehtonisia parannuksia, suorituskyvyn nousu on tyypillisesti yksinumeroinen prosentteja. Siitä huolimatta sirujen suunnittelijoiden saattaa olla tarpeen keskittyä tästä lähtien enemmän arkkitehtonisiin päivityksiin, koska tämä ei ole vain vaihe.