Hva er Moores lov, og hvorfor dør den?

Hvis du har vært oppmerksom på teknologiske medier det siste tiåret, har du sannsynligvis hørt om Moores lov og hvordan det tilsynelatende dør. Dessverre er det vanskelig å beskrive hva Moores lov er og nøyaktig hvordan den dør i en standard nyhetsartikkel. Her er alt du trenger å vite om Moores lov, hva det betyr for prosessorer, hvorfor folk sier at det er døende, og hvordan selskaper finner løsninger.

En beskrivende lov om hvordan brikkeindustrien har fungert i flere tiår

Moores lov ble laget av Intels medgründer Gordon Moore i 1965, og den spår at hvert annet år vil antallet transistorer (i utgangspunktet den minste komponenten i en prosessor) dobles. Så hvis du bygger den største brikken du muligens kan ett år, bør du kunne lage en brikke som har dobbelt så mange transistorer to år senere. Hvis industrien kan mønstre en prosessor med én million transistorer på ett år, om to år, bør en to millioner transistorbrikke være mulig.

Dette har i stor grad å gjøre med måten chips produseres på gjennom noe som kalles a prosessnode. Hver eneste nye prosess er ment å være tettere enn den forrige, og det er slik industrien har vært i stand til å møte Moores lov-projeksjoner i flere tiår. Du lurer kanskje på hvorfor tetthet er nødvendig for å fortsette å øke transistorer; hvorfor ikke bare lage en større chip hvert år? Vel, en enkelt brikke kan bare være så stor. De største brikkene som noen gang er laget i stort volum er på det meste 800 mm2, som lett kan passe i håndflaten din. Så høyere tetthet er nødvendig for å få flere transistorer inn i en brikke.

I det meste av datahistorien var fabrikasjonsselskaper (i daglig tale kalt fabs) i stand til å lansere nye prosessnoder hvert eller annet år og holde Moores lov i gang. I tillegg forbedret nye noder også frekvens (noen ganger bare kalt ytelse) og strømeffektivitet, så å bruke den siste eller nest siste prosessen var vanligvis det selskapene ønsket med mindre de laget noe grunnleggende. Moores lov var bare en ubestridt ting som skjedde og ble tatt for gitt.

Hvordan Moores lov dør

Industrien forventet at saus-toget av nye noder hvert år eller så skulle fortsette for alltid, men det hele raste sammen i det 21. århundre. Et bekymringsfullt tegn var slutten på Dennard-skaleringen, som spådde at mer kompakte transistorer ville kunne treffe høyere klokkehastigheter, men det sluttet å være sant rundt 65nm-merket på midten av 2000-tallet. Ved så små størrelser viste transistorer ny oppførsel som ingen fysiker kunne ha forutsett.

Men slutten på Dennard-skalering var ingenting sammenlignet med krisen som nesten alle fabrikker i verden møtte rundt 32nm på begynnelsen av 2010-tallet. Å krympe transistorer ned under 32nm var ekstremt vanskelig, og i årevis var Intel det eneste selskapet som klarte å gå over til 22nm-noden, den neste fulle oppgraderingen etter 32nm. Det var ikke før på midten av 2010-tallet at Intels konkurrenter klarte å ta igjen det, men da hadde bransjen endret seg betydelig.

Diagrammet ovenfor illustrerer antall selskaper gjennom årene som var i stand til å lage bransjeledende noder i et gitt år og generasjon. Dette tallet hadde gått ned i årevis, men så ut til å stabilisere seg på slutten av 2000-tallet til begynnelsen av 2010-tallet. Så, da selskaper begynte å innse hvor vanskelig det ville være å komme seg over 32nm, kastet de inn håndkleet. Fjorten banebrytende fabrikker kom til 45nm-noden, men bare seks av dem kom til 16nm. I dag er bare tre av disse fabrikkene fortsatt i forkant: Intel, Samsung og TSMC. Mange forventer imidlertid at enten Samsung eller Intel slutter seg til de falnes rekker etter hvert.

Selv selskaper som kan utvikle disse nye nodene kan ikke matche generasjons-til-generasjonsgevinsten til eldre noder. Det blir vanskeligere å gjøre flis tettere; TSMCs 3nm-node klarte faktisk ikke å krympe cachen, noe som er katastrofalt. Og mens tetthetsgevinster avtar for hver generasjon, blir produksjonen dyrere, noe som forårsaker kostnad per transistor å stagnere siden 32nm, noe som gjør det vanskeligere å selge prosessorer til lavere priser. Ytelses- og effektivitetsforbedringer er heller ikke så gode som de pleide å være.

Alt dette sammen er det som betyr døden til Moores lov for mennesker. Det handler ikke bare om å unnlate å doble transistorer annethvert år; det handler om å øke prisene, treffe vegger i ytelse, og å ikke kunne øke effektiviteten like enkelt som før. Dette er et eksistensielt problem for hele databransjen.

Hvordan selskaper oppfyller forventningene til Moores lov selv mens den dør

Mens døden av Moores lov unektelig er et økende problem, bringer hvert år innovasjon fra nøkkelaktører, mange av dem finner måter å omgå produksjonsproblemer som har plaget industrien i årevis. Mens Moores lov snakker om transistorer, kan ånden i Moores lov holdes i live ved bare å møte tradisjonelle generasjon til generasjon ytelsesforbedringer, og industrien har mange verktøy til rådighet, verktøy som ikke eksisterte engang et tiår siden.

AMD og Intels brikketeknologi (som Intel kaller fliser) har ikke bare vist seg å møte ytelsesforventningene til Moores lov, men til og med transistorforventningene også. Selv om det er sant at en enkelt brikke bare kan være så stor, kan du teoretisk legge til mange og mange brikker til en enkelt prosessor. En brikke er egentlig en liten brikke som er sammenkoblet med andre brikker for å lage en komplett prosessor. AMDs adopsjon av brikker i 2019 tillot selskapet å doble antallet kjerner det tilbød på stasjonære datamaskiner og servere.

I tillegg kan chiplets spesialiseres, og det er her teknologien virkelig skinner i møte med en døende Moores lov. Siden cachen egentlig ikke krymper på nyere noder, hvorfor ikke legge all cachen på chiplets ved å bruke eldre, billigere noder og prosessorkjernene på chiplets med den nyeste noden? Det er det AMD har gjort med sin 3D V-Cache og minnebufferen dør (eller MCD-er) i avanserte RX 7000 GPUer som RX 7900 XTX. Noen av beste CPUer og beste GPUer fra AMD ville ikke vært mulig uten brikker.

Nvidia derimot, har stolt forkynt døden til Moores lov og har satset alt på AI. Ved å akselerere arbeidsbelastninger gjennom AI-kompatible Tensor-kjerner, kan ytelsen lett dobles eller mer, så Nvidia har ikke rørt chiplets i det hele tatt. Imidlertid er AI absolutt en mer programvareintensiv løsning. DLSS, Nvidias AI-drevne oppskaleringsteknologi, krever innsats fra både spillutviklere og Nvidia for å implementere i spill, og DLSS er heller ikke perfekt.

Det eneste andre alternativet bortsett fra disse to er å ganske enkelt forbedre arkitekturen til prosessorer og få mer ytelse fra samme antall transistorer. Denne veien har historisk sett vært svært vanskelig for bedrifter å gå ned, og mens nye generasjoner av prosessorer gir arkitektoniske forbedringer, ytelsesøkningen er vanligvis på ensifret prosenter. Uansett kan det være nødvendig for brikkedesignere å fokusere mer på arkitektoniske oppgraderinger fra nå av fordi dette ikke bare er en fase.