Kas ir Mūra likums un kāpēc tas mirst?

Ja pēdējo desmit gadu laikā esat pievērsis uzmanību tehnoloģiju medijiem, jūs, iespējams, būsiet dzirdējuši par Mūra likumu un kā tas acīmredzot mirst. Diemžēl standarta ziņu rakstā ir grūti aprakstīt, kas ir Mūra likums un kā tieši tas mirst. Šeit ir viss, kas jums jāzina par Mūra likumu, ko tas nozīmē apstrādātājiem, kāpēc cilvēki saka, ka tas mirst, un kā uzņēmumi atrod risinājumus.

Aprakstošs likums par to, kā mikroshēmu nozare ir strādājusi gadu desmitiem

Mūra likumu 1965. gadā izstrādāja Intel līdzdibinātājs Gordons Mūrs, un tas paredz, ka ik pēc diviem gadiem tranzistoru (pamatā mazākā procesora sastāvdaļa) skaits dubultosies. Tātad, ja vienu gadu veidojat vislielāko mikroshēmu, kādu vien iespējams, pēc diviem gadiem jums vajadzētu būt iespējai izveidot mikroshēmu ar divreiz lielāku tranzistoru skaitu. Ja nozare var savākt procesoru ar vienu miljonu tranzistoru viena gada laikā, pēc diviem gadiem vajadzētu būt iespējamai divu miljonu tranzistoru mikroshēmai.

Tas lielā mērā ir saistīts ar to, kā mikroshēmas tiek ražotas, izmantojot kaut ko, ko sauc par a procesa mezgls. Ikvienam jaunajam procesam ir jābūt blīvākam par iepriekšējo, tāpēc nozare ir spējusi izpildīt Mūra likuma prognozes gadu desmitiem ilgi. Jums varētu rasties jautājums, kāpēc ir nepieciešams blīvums, lai palielinātu tranzistoru skaitu; kāpēc gan katru gadu neuztaisīt lielāku mikroshēmu? Nu, viena mikroshēma var būt tikai tik liela. Lielākās šķeldas, kas jebkad izgatavotas lielā apjomā, ir ne vairāk kā 800 mm2, kuras var viegli ievietot plaukstā. Tātad, lai mikroshēmā iegūtu vairāk tranzistoru, ir nepieciešams lielāks blīvums.

Lielāko daļu skaitļošanas vēstures ražošanas uzņēmumi (sarunvalodā saukti par fabiem) varēja ik pēc diviem gadiem ieviest jaunus procesa mezglus un neļaut Mūra likumam darboties. Turklāt jaunie mezgli uzlaboja arī frekvenci (dažreiz to vienkārši sauc par veiktspēju) un jaudas efektivitāti Izmantojot jaunāko vai otro jaunāko procesu, uzņēmumi parasti vēlējās, ja vien tie kaut ko nerada pamata. Mūra likums bija tikai neapšaubāma lieta, kas notika un tika uzskatīta par pašsaprotamu.

Kā Mūra likums mirst

Nozare gaidīja, ka katru gadu jaunu mezglu mērce turpināsies mūžīgi, taču 21. gadsimtā tas viss sabruka. Viena no satraucošām pazīmēm bija Denarda mērogošanas beigas, kas paredzēja, ka kompaktāki tranzistori spēs sasniegt lielāku takts ātrumu, taču 2000. gadu vidū tas vairs nebija taisnība ap 65 nm atzīmi. Tik mazos izmēros tranzistori uzrādīja jaunu darbību, ko neviens fiziķis nevarēja paredzēt.

Taču Denarda mērogošanas beigas nebija nekas, salīdzinot ar krīzi, ar kuru 2010. gadu sākumā sastapās gandrīz visi pasaules lielgabali, kas tika novēroti aptuveni 32 nm. Tranzistoru samazināšana zem 32 nm bija ārkārtīgi sarežģīta, un gadiem ilgi Intel bija vienīgais uzņēmums, kas veiksmīgi pārgāja uz 22 nm mezglu, kas ir nākamais pilnais jauninājums pēc 32 nm. Tikai 2010. gadu vidū Intel konkurenti spēja panākt, taču līdz tam nozare bija būtiski mainījusies.

Iepriekš redzamajā diagrammā ir parādīts uzņēmumu skaits gadu gaitā, kas spējuši izveidot nozares vadošos mezglus noteiktā gadā un paaudzē. Šis skaitlis gadiem ilgi bija samazinājies, taču šķita, ka tas stabilizējās 2000. gadu beigās līdz 2010. gadu sākumam. Tad, kad uzņēmumi sāka saprast, cik grūti būtu virzīties tālāk par 32 nm, tie iemeta roku. Četrpadsmit vismodernākie modeļi nokļuva 45 nm mezglā, bet tikai seši no tiem sasniedza 16 nm. Mūsdienās tikai trīs no šiem modeļiem joprojām ir līderi: Intel, Samsung un TSMC. Tomēr daudzi sagaida, ka Samsung vai Intel galu galā pievienosies kritušo rindām.

Pat uzņēmumi, kas var izstrādāt šos jaunos mezglus, nevar līdzināties vecāku mezglu ieguvumiem no paaudzes paaudzē. Kļūst grūtāk padarīt čipsus blīvākus; TSMC 3 nm mezglam faktiski neizdevās samazināt kešatmiņu, kas ir postoši. Un, lai gan blīvuma pieaugums samazinās ar katru paaudzi, ražošana kļūst dārgāka, izraisot viena tranzistora cena ir nemainīga kopš 32 nm, kas apgrūtina procesoru pārdošanu par zemāku cenu cenas. Arī veiktspējas un efektivitātes uzlabojumi nav tik labi kā agrāk.

Tas viss kopā nozīmē Mūra likuma nāvi cilvēkiem. Runa nav tikai par tranzistoru dubultošanu ik pēc diviem gadiem; runa ir par cenu pieaugumu, satriekšanu veiktspējas jomā un nespēju palielināt efektivitāti tik vienkārši kā iepriekš. Tā ir eksistenciāla problēma visai skaitļošanas nozarei.

Kā uzņēmumi attaisno Mūra likuma cerības pat tad, kad tas mirst

Lai gan Mūra likuma nāve nenoliedzami ir pieaugoša problēma, katru gadu no galvenajiem dalībniekiem nāk jauninājumi, daudzi no tiem atrod veidus, kā pilnībā apiet ražošanas problēmas, kas nozari ir vajājušas gadiem ilgi. Kamēr Mūra likums runā par tranzistoriem, Mūra likuma garu var uzturēt dzīvu, tikai satiekoties ar tradicionālajiem veiktspējas uzlabojumi no paaudzes paaudzē, un nozares rīcībā ir daudz rīku, tādu rīku, kas pat neeksistēja. pirms desmit gadiem.

Ir pierādījies, ka AMD un Intel mikroshēmu tehnoloģija (ko Intel sauc par flīzēm) atbilst ne tikai Mūra likuma prasībām, bet arī tranzistoru prasībām. Lai gan ir taisnība, ka viena mikroshēma var būt tikai tik liela, teorētiski vienam procesoram varētu pievienot daudz un daudz mikroshēmu. Mikroshēma būtībā ir maza mikroshēma, kas ir savienota pārī ar citām mikroshēmām, lai izveidotu pilnīgu procesoru. AMD mikroshēmu ieviešana 2019. gadā ļāva uzņēmumam dubultot galddatoros un serveros piedāvāto kodolu skaitu.

Turklāt mikroshēmas var būt specializētas, un šeit tehnoloģija patiešām spīd, saskaroties ar mirstošo Mūra likumu. Tā kā jaunākos mezglos kešatmiņa patiešām nesamazinās, kāpēc gan neievietot visu kešatmiņu mikroshēmās, izmantojot vecākus, lētākus mezglus, un procesora kodolus mikroshēmās ar jaunāko mezglu? Tas ir tas, ko AMD ir darījis ar savu 3D V-kešatmiņa un tā atmiņas kešatmiņa nomirst (vai MCD) augstas klases RX 7000 GPU, piemēram, RX 7900 XTX. Daži no labākie CPU un labākie GPU no AMD nebūtu iespējams bez mikroshēmām.

No otras puses, Nvidia lepni paziņoja Mūra likuma nāve, un tas viss ir apdraudējis AI. Paātrinot darba slodzi, izmantojot ar AI spējīgus Tensor kodolus, veiktspēja var viegli dubultot vai vairāk, tāpēc Nvidia vispār nav pieskārusies mikroshēmām. Tomēr AI noteikti ir programmatūras ietilpīgāks risinājums. DLSS, Nvidia AI darbinātajai izšķirtspējas palielināšanas tehnoloģijai, lai to ieviestu spēlēs, ir jāpieliek pūles gan no spēļu izstrādātājiem, gan Nvidia, un arī DLSS nav ideāls.

Vienīgā cita iespēja, izņemot šīs divas, ir vienkārši uzlabot procesoru arhitektūru un iegūt lielāku veiktspēju no tāda paša tranzistoru skaita. Šo ceļu vēsturiski ir bijis ļoti grūti iet uzņēmumiem, un, kamēr jaunas paaudzes procesori nodrošina arhitektūras uzlabojumus, veiktspējas pieaugums parasti ir viencipara skaitlis procentos. Neatkarīgi no tā, mikroshēmu dizaineriem turpmāk varētu būt nepieciešams vairāk koncentrēties uz arhitektūras jauninājumiem, jo ​​tas nav tikai posms.