Cos'è la legge di Moore e perché sta morendo?

Se hai prestato attenzione ai media tecnologici negli ultimi dieci anni, probabilmente avrai sentito parlare della Legge di Moore e... come sta apparentemente morendo. Sfortunatamente, è difficile descrivere cos'è la Legge di Moore e come sta morendo esattamente in un normale articolo di cronaca. Ecco tutto quello che devi sapere sulla Legge di Moore, cosa significa per i processori, perché le persone dicono che sta morendo e come le aziende stanno trovando soluzioni alternative.

Una legge descrittiva di come l’industria dei chip ha funzionato per decenni

La legge di Moore è stata coniata dal cofondatore di Intel Gordon Moore nel 1965 e prevede che ogni due anni il numero di transistor (sostanzialmente il componente più piccolo di un processore) raddoppierà. Quindi, se stai costruendo il chip più grande possibile in un anno, dovresti essere in grado di realizzare un chip con il doppio dei transistor due anni dopo. Se l'industria riuscisse a mettere insieme un processore con un milione di transistor in un anno, tra due anni dovrebbe essere possibile realizzare un chip da due milioni di transistor.

Ciò ha in gran parte a che fare con il modo in cui i chip vengono prodotti attraverso qualcosa chiamato a nodo del processo. Si suppone che ogni singolo nuovo processo sia più denso del precedente, ed è così che l'industria è stata in grado di soddisfare le proiezioni della Legge di Moore per decenni. Forse ti starai chiedendo perché la densità è necessaria per continuare ad aumentare i transistor; perché non creare un chip più grande ogni anno? Ebbene, un singolo chip non può che essere così grande. I chip più grandi mai realizzati in grandi volumi misurano al massimo 800 mm2, che possono facilmente stare nel palmo di una mano. Pertanto, è necessaria una densità maggiore per inserire più transistor in un chip.

Per gran parte della storia dell'informatica, le società di fabbricazione (colloquialmente chiamate fab) sono state in grado di lanciare nuovi nodi di processo ogni anno o due e mantenere la Legge di Moore al passo con i tempi. Inoltre, i nuovi nodi hanno anche migliorato la frequenza (a volte chiamata semplicemente prestazioni) e l’efficienza energetica utilizzare il processo più recente o penultimo era solitamente ciò che le aziende desideravano a meno che non stessero realizzando qualcosa di base. La Legge di Moore era semplicemente una cosa indiscussa accaduta e data per scontata.

Come sta morendo la Legge di Moore

L’industria si aspettava che la serie di nuovi nodi ogni anno continuasse per sempre, ma tutto è crollato nel 21° secolo. Un segnale preoccupante è stata la fine dello scaling di Dennard, che prevedeva che transistor più compatti sarebbero stati in grado di raggiungere velocità di clock più elevate, ma ciò ha smesso di essere vero intorno alla soglia dei 65 nm a metà degli anni 2000. Di dimensioni così piccole, i transistor mostravano un comportamento nuovo che nessun fisico avrebbe potuto prevedere.

Ma la fine del ridimensionamento di Dennard non è stata nulla in confronto alla crisi che quasi tutti gli stabilimenti del mondo hanno incontrato intorno ai 32 nm all’inizio degli anni 2010. Ridurre i transistor al di sotto dei 32 nm è stato estremamente difficile e per anni Intel è stata l'unica azienda a passare con successo al nodo a 22 nm, il successivo aggiornamento completo dopo i 32 nm. Fu solo a metà degli anni 2010 che i concorrenti di Intel riuscirono a recuperare il ritardo, ma a quel punto il settore era cambiato sostanzialmente.

Il grafico sopra illustra il numero di aziende nel corso degli anni che sono state in grado di realizzare nodi leader del settore in un dato anno e generazione. Questo numero era in calo da anni, ma sembrava stabilizzarsi tra la fine degli anni 2000 e l’inizio degli anni 2010. Poi, quando le aziende hanno iniziato a rendersi conto di quanto sarebbe stato difficile progredire oltre i 32 nm, hanno gettato la spugna. Quattordici fabbriche all'avanguardia sono arrivate al nodo a 45 nm, ma solo sei di loro sono arrivate a 16 nm. Oggi, solo tre di questi produttori sono ancora all’avanguardia: Intel, Samsung e TSMC. Molti, tuttavia, si aspettano che Samsung o Intel si uniscano prima o poi alle fila dei caduti.

Persino le aziende in grado di sviluppare questi nuovi nodi non possono eguagliare i guadagni generazione dopo generazione dei nodi più vecchi. Diventa sempre più difficile rendere i trucioli più densi; Il nodo da 3 nm di TSMC in realtà non è riuscito a ridurre la cache, il che è disastroso. E mentre i guadagni di densità diminuiscono di generazione in generazione, la produzione sta diventando più costosa, causando il il costo per transistor è rimasto stabile a partire dai 32 nm, il che rende più difficile vendere processori a prezzi inferiori prezzi. Anche i miglioramenti in termini di prestazioni ed efficienza non sono più così buoni come in passato.

Tutto questo insieme è ciò che significa la morte della Legge di Moore per le persone. Non si tratta solo di non riuscire a raddoppiare i transistor ogni due anni; si tratta di aumentare i prezzi, scontrarsi con i limiti delle prestazioni e non essere in grado di aumentare l'efficienza con la stessa facilità di prima. Questo è un problema esistenziale per l’intero settore informatico.

Come le aziende soddisfano le aspettative della Legge di Moore anche se sta morendo

Sebbene la morte della Legge di Moore sia innegabilmente un problema crescente, ogni anno porta innovazione da parte dei principali attori, molti dei quali stanno trovando modi per aggirare completamente i problemi di produzione che affliggono il settore da anni. Sebbene la Legge di Moore parli di transistor, lo spirito della Legge di Moore può essere mantenuto vivo semplicemente rispettando la tradizione miglioramenti delle prestazioni di generazione in generazione e l'industria ha molti strumenti a sua disposizione, strumenti che nemmeno esistevano un decennio fa.

La tecnologia chiplet di AMD e Intel (che Intel chiama Tiles) non solo ha dimostrato di soddisfare le aspettative prestazionali della Legge di Moore, ma anche quelle dei transistor. Sebbene sia vero che un singolo chip non può essere grande, in teoria potresti aggiungere moltissimi chip a un singolo processore. Un chiplet è essenzialmente un piccolo chip accoppiato con altri chiplet per creare un processore completo. L'adozione dei chiplet da parte di AMD nel 2019 ha consentito all'azienda di raddoppiare il numero di core offerti su desktop e server.

Inoltre, i chiplet possono essere specializzati, ed è qui che la tecnologia brilla davvero di fronte alla morente Legge di Moore. Dato che la cache non si riduce realmente sui nodi più recenti, perché non mettere tutta la cache sui chiplet che utilizzano nodi più vecchi ed economici e i core del processore sui chiplet con il nodo più recente? Questo è ciò che AMD ha fatto con i suoi Cache V 3D e la sua cache di memoria muore (o MCD) nelle GPU RX 7000 di fascia alta come la RX 7900 XTX. Alcuni dei migliori CPU E migliori GPU di AMD non sarebbe possibile senza i chiplet.

Nvidia, invece, ha orgogliosamente proclamato la morte della Legge di Moore e ha puntato tutto sull’intelligenza artificiale. Accelerando i carichi di lavoro tramite core Tensor compatibili con l'intelligenza artificiale, le prestazioni possono facilmente raddoppiare o più, quindi Nvidia non ha toccato affatto i chiplet. Tuttavia, l’intelligenza artificiale è sicuramente una soluzione a maggiore intensità di software. DLSS, la tecnologia di upscaling della risoluzione basata sull'intelligenza artificiale di Nvidia, richiede impegno sia da parte degli sviluppatori di giochi che di Nvidia per l'implementazione nei giochi, e neanche il DLSS è perfetto.

L'unica altra opzione oltre a queste due è semplicemente migliorare l'architettura dei processori e ottenere maggiori prestazioni dallo stesso numero di transistor. Questo percorso è stato storicamente molto difficile da percorrere per le aziende, e anche per le nuove generazioni i processori apportano miglioramenti all'architettura, l'aumento delle prestazioni è in genere a una cifra percentuali. Indipendentemente da ciò, da ora in poi potrebbe essere necessario che i progettisti di chip si concentrino maggiormente sugli aggiornamenti dell'architettura perché questa non è solo una fase.