Kas yra Moore'o įstatymas ir kodėl jis miršta?

Jei per pastarąjį dešimtmetį atkreipėte dėmesį į technologijų žiniasklaidą, tikriausiai girdėjote apie Moore'o dėsnį ir kaip tai, matyt, miršta. Deja, sunku apibūdinti, kas yra Moore'o dėsnis ir kaip tiksliai jis miršta standartinėje naujienų dalyje. Štai viskas, ką reikia žinoti apie Moore'o dėsnį, ką jis reiškia perdirbėjams, kodėl žmonės sako, kad jis miršta ir kaip įmonės randa sprendimus.

Aprašomasis dėsnis, kaip lustų pramonė veikė dešimtmečius

Moore'o dėsnį 1965 m. sukūrė „Intel“ įkūrėjas Gordonas Moore'as ir prognozuoja, kad kas dvejus metus tranzistorių (iš esmės mažiausio procesoriaus komponento) skaičius padvigubės. Taigi, jei kuriate didžiausią lustą per vienerius metus, po dvejų metų turėtumėte sugebėti pagaminti lustą, kurio tranzistorius būtų dvigubai didesnis. Jei pramonė per vienerius metus gali surinkti procesorių su vienu milijonu tranzistorių, po dvejų metų turėtų būti įmanoma turėti dviejų milijonų tranzistorių lustą.

Tai daugiausia susiję su lustų gamybos būdu, vadinamu a proceso mazgas. Kiekvienas naujas procesas turėtų būti tankesnis nei ankstesnis, todėl pramonė dešimtmečius galėjo patenkinti Moore'o įstatymo prognozes. Jums gali kilti klausimas, kodėl tankis yra būtinas norint nuolat didinti tranzistorius; kodėl gi nepadarius didesnio lusto kiekvienais metais? Na, vienas lustas gali būti tik toks didelis. Didžiausios kada nors pagamintos didelio tūrio drožlės yra ne didesnės kaip 800 mm2, kurios gali lengvai tilpti į delną. Taigi, norint į lustą patekti daugiau tranzistorių, reikalingas didesnis tankis.

Didžiąją kompiuterių istorijos dalį gamybos įmonės (šnekamojoje kalboje vadinamos „fab“) kasmet ar dvejus galėjo paleisti naujus proceso mazgus ir išlaikyti Moore'o dėsnį. Be to, nauji mazgai taip pat pagerino dažnį (kartais tiesiog vadinamą našumu) ir energijos vartojimo efektyvumą Įmonės paprastai norėjo naudoti naujausią arba antrąjį naujausią procesą, nebent jie ką nors gamina pagrindinis. Moore'o įstatymas buvo tik neabejotinas dalykas, kuris įvyko ir buvo laikomas savaime suprantamu dalyku.

Kaip Moore'o įstatymas miršta

Pramonė tikėjosi, kad kiekvienais metais naujų mazgų gausa tęsis amžinai, tačiau XXI amžiuje viskas žlugo. Vienas nerimą keliantis ženklas buvo Dennardo mastelio keitimo pabaiga, kuri prognozavo, kad kompaktiškesni tranzistoriai galės pasiekti didesnį taktinį dažnį, tačiau 2000-ųjų viduryje tai nustojo galioti ties 65 nm riba. Tokių mažų dydžių tranzistoriai rodė naują elgesį, kurio joks fizikas negalėjo numatyti.

Tačiau Dennardo mastelio keitimo pabaiga buvo niekis, palyginti su krize, su kuria 2010-ųjų pradžioje susidūrė beveik visi pasaulio objektai, su kuriais susidūrė maždaug 32 nm. Sumažinti tranzistorius iki 32 nm buvo labai sunku, ir daugelį metų „Intel“ buvo vienintelė įmonė, sėkmingai perėjusi prie 22 nm mazgo, o tai buvo kitas pilnas atnaujinimas po 32 nm. Tik 2010-ųjų viduryje „Intel“ konkurentai sugebėjo pasivyti, tačiau iki tol pramonė iš esmės pasikeitė.

Aukščiau pateikta diagrama iliustruoja įmonių, kurios per tam tikrus metus ir kartą sugebėjo sukurti pirmaujančius pramonės mazgus, skaičius. Šis skaičius mažėjo daugelį metų, bet atrodė, kad 2000-ųjų pabaigoje – 2010-ųjų pradžioje stabilizavosi. Tada, kai įmonės pradėjo suprasti, kaip sunku būtų pasiekti daugiau nei 32 nm, jos metė rankšluostį. Keturiolika pažangiausių gaminių pateko į 45 nm mazgą, tačiau tik šeši iš jų pasiekė 16 nm. Šiandien tik trys iš šių gaminių tebėra pažangiausi: „Intel“, „Samsung“ ir TSMC. Tačiau daugelis tikisi, kad „Samsung“ arba „Intel“ galiausiai prisijungs prie žuvusiųjų.

Net įmonės, galinčios sukurti šiuos naujus mazgus, negali prilygti senesnių mazgų naudos iš kartos į kartą. Darosi sunkiau traškučius padaryti tankesnius; TSMC 3 nm mazgui iš tikrųjų nepavyko sumažinti talpyklos, kas yra pražūtinga. Ir nors tankumo padidėjimas mažėja kiekvienai kartai, gamyba brangsta, todėl Vieno tranzistoriaus kaina sustojo nuo 32 nm, todėl sunkiau parduoti procesorius žemesnėmis kainomis kainos. Našumo ir efektyvumo patobulinimai taip pat nėra tokie geri, kaip anksčiau.

Visa tai kartu reiškia Moore'o įstatymo mirtį žmonėms. Tai ne tik apie tai, kad nepavyksta padvigubinti tranzistorių kas dvejus metus; kalbama apie kylančias kainas, atsitrenkimą į sienas ir nesugebėjimą taip lengvai padidinti efektyvumo, kaip anksčiau. Tai egzistencinė visos kompiuterių pramonės problema.

Kaip įmonės pateisina Moore'o įstatymo lūkesčius, net kai jis miršta

Nors Moore'o įstatymo mirtis neabejotinai yra auganti problema, kiekvienais metais pagrindiniai veikėjai atneša naujovių, daugelis iš jų randa būdų, kaip visiškai apeiti gamybos problemas, kurios daugelį metų kamuoja pramonę. Nors Moore'o dėsnis kalba apie tranzistorius, Moore'o dėsnio dvasia gali būti išlikta gyva tiesiog susitaikius su tradiciniais našumo patobulinimai iš kartos į kartą, o pramonė turi daug įrankių, kurių net nebuvo prieš dešimtmetį.

Įrodė, kad AMD ir Intel mikroschemų technologija (kurią Intel vadina plytelėmis) ne tik atitinka Moore'o dėsnio našumo lūkesčius, bet ir tranzistoriaus lūkesčius. Nors tiesa, kad vienas lustas gali būti toks didelis, teoriškai prie vieno procesoriaus galėtumėte pridėti daug lustų. Mikroschema iš esmės yra mažas lustas, suporuotas su kitais mikroschemais, kad būtų sukurtas visas procesorius. 2019 m. AMD pritaikius mikroschemas leido įmonei padvigubinti staliniuose kompiuteriuose ir serveriuose siūlomų branduolių skaičių.

Be to, mikroschemos gali būti specializuotos, ir čia ši technologija tikrai šviečia mirštančio Moore'o įstatymo akivaizdoje. Kadangi talpykla tikrai nemažėja naujesniuose mazguose, kodėl gi nepadėjus visos talpyklos lustuose naudojant senesnius, pigesnius mazgus ir procesoriaus branduolių lustuose su naujausiu mazgu? Štai ką AMD padarė su savo 3D V talpykla ir jos atminties talpykla miršta (arba MCD) aukščiausios klasės RX 7000 GPU, pvz., RX 7900 XTX. Kai kurie iš geriausi CPU ir geriausi GPU iš AMD nebūtų įmanoma be mikroschemų.

Kita vertus, „Nvidia“ išdidžiai paskelbė Moore'o dėsnio mirtis ir viskas buvo sukelta AI. Pagreitinant darbo krūvį per AI palaikančius „Tensor“ branduolius, našumas gali lengvai padvigubėti ar daugiau, todėl „Nvidia“ visiškai nepalietė mikroschemų. Tačiau AI tikrai yra daug programinės įrangos reikalaujantis sprendimas. DLSS, „Nvidia“ AI pagrįsta skiriamosios gebos didinimo technologija, reikalauja tiek žaidimų kūrėjų, tiek „Nvidia“ pastangų, kad būtų galima įdiegti žaidimuose, o DLSS taip pat nėra tobula.

Vienintelė kita galimybė, be šių dviejų, yra tiesiog pagerinti procesorių architektūrą ir gauti didesnį našumą naudojant tą patį tranzistorių skaičių. Šiuo keliu istoriškai buvo labai sunku eiti įmonėms, o naujoms kartoms procesoriai suteikia architektūrinių patobulinimų, našumo padidėjimas paprastai yra vienženklis procentais. Nepaisant to, nuo šiol lustų dizaineriams gali prireikti daugiau dėmesio skirti architektūriniams atnaujinimams, nes tai nėra tik etapas.