Što je Mooreov zakon i zašto umire?

Ako ste tijekom proteklog desetljeća obraćali pozornost na tehnološke medije, vjerojatno ste čuli za Mooreov zakon i kako očito umire. Nažalost, teško je opisati što je Mooreov zakon i kako točno umire u standardnoj vijesti. Ovdje je sve što trebate znati o Mooreovom zakonu, što on znači za procesore, zašto ljudi kažu da umire i kako tvrtke pronalaze rješenja.

Opisni zakon kako je industrija čipova funkcionirala desetljećima

Mooreov zakon skovao je Intelov suosnivač Gordon Moore 1965. godine i predviđa da će se svake dvije godine broj tranzistora (u osnovi najmanje komponente u procesoru) udvostručiti. Dakle, ako gradite najveći čip koji možete jedne godine, trebali biste moći napraviti čip koji ima dvostruko više tranzistora dvije godine kasnije. Ako industrija može prikupiti procesor s milijun tranzistora u jednoj godini, za dvije godine bi trebao biti moguć čip s dva milijuna tranzistora.

To uglavnom ima veze s načinom na koji se čipovi proizvode kroz nešto što se zove a

procesni čvor. Svaki pojedini novi proces trebao bi biti gušći od prethodnog, što je način na koji je industrija desetljećima uspijevala zadovoljiti projekcije Mooreova zakona. Možda se pitate zašto je gustoća neophodna za povećanje tranzistora; zašto jednostavno ne napraviti veći čip svake godine? Pa, jedan čip može biti samo toliko velik. Najveći čipovi ikad napravljeni u velikom volumenu imaju najviše 800 mm2, koji lako mogu stati u vaš dlan. Dakle, potrebna je veća gustoća da bi se u čip stavilo više tranzistora.

Tijekom većeg dijela računalne povijesti, proizvođačke tvrtke (kolokvijalno zvane tvornice) bile su u mogućnosti pokretati nove procesne čvorove svake godine ili dvije i održavati Mooreov zakon u tijeku. Osim toga, novi čvorovi također su poboljšali frekvenciju (koja se ponekad jednostavno naziva performansama) i energetsku učinkovitost, tako da Korištenje najnovijeg ili drugog najnovijeg procesa obično je bilo ono što su tvrtke željele osim ako su nešto proizvodile Osnovni, temeljni. Mooreov zakon bio je samo neupitna stvar koja se dogodila i uzimala se zdravo za gotovo.

Kako Mooreov zakon umire

Industrija je očekivala da će se niz novih čvorova svake godine nastaviti zauvijek, ali sve se srušilo u 21. stoljeću. Jedan zabrinjavajući znak bio je kraj Dennardovog skaliranja, koje je predviđalo da će kompaktniji tranzistori moći postići veće brzine takta, ali to je prestalo biti točno oko oznake od 65 nm sredinom 2000-ih. Na tako malenim veličinama, tranzistori su pokazivali novo ponašanje koje niti jedan fizičar nije mogao predvidjeti.

Ali kraj Dennardovog skaliranja nije bio ništa u usporedbi s krizom s kojom su se gotovo sve tvornice na svijetu susrele oko 32nm u ranim 2010-ima. Smanjenje tranzistora ispod 32nm bilo je iznimno teško, a godinama je Intel bio jedina tvrtka koja je uspješno prešla na 22nm čvor, sljedeću punu nadogradnju nakon 32nm. Tek su sredinom 2010-ih Intelovi konkurenti uspjeli sustići, ali do tada se industrija značajno promijenila.

Gornji grafikon ilustrira broj tvrtki tijekom godina koje su uspjele napraviti čvorove vodeće u industriji u određenoj godini i generaciji. Taj je broj godinama opadao, ali se činilo da se stabilizirao u kasnim 2000-ima do ranim 2010-ima. Zatim, kada su tvrtke počele shvaćati koliko bi bilo teško napredovati dalje od 32nm, bacile su ručnik. Četrnaest najsuvremenijih tvornica došlo je do 45nm čvora, ali samo njih šest do 16nm. Danas su samo tri od tih tvornica još uvijek na vrhuncu: Intel, Samsung i TSMC. Mnogi, međutim, očekuju da će se i Samsung ili Intel na kraju pridružiti redovima palih.

Čak ni tvrtke koje mogu razviti ove nove čvorove ne mogu se mjeriti s dobicima starijih čvorova iz generacije u generaciju. Sve je teže napraviti čips gušći; TSMC-ov 3nm čvor zapravo nije uspio smanjiti predmemoriju, što je pogubno. I dok se gustoća svake generacije smanjuje, proizvodnja postaje sve skuplja, što uzrokuje cijena po tranzistoru stagnira još od 32nm, što otežava prodaju procesora po nižoj cijeni cijene. Poboljšanja performansi i učinkovitosti također nisu tako dobra kao što su bila.

Sve to zajedno je ono što za ljude označava smrt Mooreova zakona. Ne radi se samo o neuspjehu udvostručavanja tranzistora svake dvije godine; radi se o rastućim cijenama, udaranju u zidove u izvedbi i nemogućnosti povećanja učinkovitosti tako lako kao prije. To je egzistencijalni problem cijele računalne industrije.

Kako tvrtke ispunjavaju očekivanja Mooreovog zakona čak i dok on umire

Dok je smrt Mooreovog zakona nedvojbeno sve veći problem, svaka godina donosi inovacije ključnih igrača, od kojih mnogi pronalaze načine za potpuno zaobilaženje proizvodnih problema koji su godinama mučili industriju. Dok Mooreov zakon govori o tranzistorima, duh Mooreova zakona može se održati na životu pukim ispunjavanjem tradicionalnih poboljšanja performansi s generacije na generaciju, a industrija ima mnogo alata na raspolaganju, alate koji nisu ni postojali prije deset godina.

AMD-ova i Intelova chiplet tehnologija (koju Intel naziva pločicama) nije samo dokazala da ispunjava očekivanja performansi prema Mooreovom zakonu, već čak i očekivanja tranzistora. Iako je istina da jedan čip može biti samo toliko velik, teoretski biste mogli dodati puno, puno čipova jednom procesoru. Čiplet je u suštini mali čip koji je uparen s drugim čipletima kako bi napravio kompletan procesor. AMD-ovo usvajanje čipleta 2019. omogućilo je tvrtki da udvostruči broj jezgri koje nudi u stolnim računalima i poslužiteljima.

Dodatno, čipleti se mogu specijalizirati, i tu tehnologija stvarno blista naspram umirućeg Mooreovog zakona. Budući da se predmemorija zapravo ne smanjuje na novijim čvorovima, zašto ne staviti svu predmemoriju na čiplete koristeći starije, jeftinije čvorove i procesorske jezgre na čiplete s najnovijim čvorom? To je ono što AMD radi sa svojim 3D V-Cache a njegova predmemorija umire (ili MCD-ovi) u vrhunskim GPU-ovima RX 7000 kao što je RX 7900 XTX. Neki od najbolji procesori i najbolji GPU-i iz AMD-a ne bi bilo moguće bez čipleta.

Nvidia, s druge strane, ponosno je objavio smrti Mooreovog zakona i sve je stavio na AI. Ubrzavanjem radnih opterećenja kroz Tensor jezgre sposobne za AI, performanse se lako mogu udvostručiti ili više, tako da Nvidia uopće nije dotakla čiplete. Međutim, AI je sigurno softverski intenzivnije rješenje. DLSS, Nvidijina tehnologija povećanja razlučivosti koju pokreće AI, zahtijeva trud i od razvijača igara i od Nvidije da bi se implementirala u igre, a ni DLSS nije savršen.

Jedina druga opcija osim ove dvije je jednostavno poboljšati arhitekturu procesora i dobiti više performansi od istog broja tranzistora. Taj je put povijesno bio vrlo težak za tvrtke i nove generacije procesori donose arhitektonska poboljšanja, povećanje performansi obično je jednoznamenkasto postoci. Bez obzira na to, možda će biti potrebno da se dizajneri čipova od sada više usredotoče na arhitektonske nadogradnje jer ovo nije samo faza.