Czym jest prawo Moore’a i dlaczego wymiera?

Jeśli przez ostatnią dekadę zwracałeś uwagę na media technologiczne, prawdopodobnie słyszałeś o prawie Moore’a i jak najwyraźniej umiera. Niestety, trudno opisać, czym jest Prawo Moore'a i jak dokładnie ono wymiera w standardowym newsie. Oto wszystko, co musisz wiedzieć o prawie Moore'a, co ono oznacza dla procesorów, dlaczego ludzie twierdzą, że prawo wymiera i jak firmy znajdują obejścia.

Opisowe prawo opisujące funkcjonowanie branży chipów od dziesięcioleci

Prawo Moore'a zostało ukute przez współzałożyciela Intela, Gordona Moore'a w 1965 roku i przewiduje, że co dwa lata liczba tranzystorów (w zasadzie najmniejszego elementu procesora) będzie się podwajać. Jeśli więc w ciągu roku zbudujesz największy możliwy chip, dwa lata później powinieneś być w stanie stworzyć chip z dwukrotnie większą liczbą tranzystorów. Jeśli w ciągu roku przemysł będzie w stanie pozyskać procesor zawierający milion tranzystorów, za dwa lata powinno być możliwe wyprodukowanie dwóch milionów chipów tranzystorowych.

Ma to w dużej mierze związek ze sposobem wytwarzania chipów w procesie zwanym a węzeł procesowy. Każdy nowy proces ma być gęstszy od poprzedniego, dzięki czemu branża od dziesięcioleci jest w stanie sprostać prognozom prawa Moore'a. Być może zastanawiasz się, dlaczego gęstość jest konieczna, aby stale zwiększać liczbę tranzystorów; dlaczego po prostu nie robić co roku większego chipa? Cóż, pojedynczy chip może być tylko tak duży. Największe chipy, jakie kiedykolwiek wyprodukowano w dużych ilościach, mają maksymalnie 800 mm2 i z łatwością mieszczą się w dłoni. Zatem, aby umieścić więcej tranzystorów w chipie, konieczna jest większa gęstość.

Przez większą część historii informatyki firmy produkcyjne (potocznie zwane fabrykami) były w stanie uruchamiać nowe węzły technologiczne co rok lub dwa i przestrzegać prawa Moore'a. Dodatkowo nowe węzły poprawiły także częstotliwość (czasami nazywaną po prostu wydajnością) i efektywność energetyczną, tzw firmy chciały zwykle stosować najnowszy lub drugi najnowszy proces, chyba że coś robiły podstawowy. Prawo Moore'a było po prostu niekwestionowaną rzeczą, która się wydarzyła i była brana za oczywistość.

Jak wymiera prawo Moore’a

Branża spodziewała się, że lawinowy potok nowych węzłów co roku będzie trwał wiecznie, lecz w XXI wieku wszystko się zawaliło. Niepokojącą oznaką był koniec skalowania Dennarda, który przewidywał, że bardziej kompaktowe tranzystory będą w stanie osiągać wyższe częstotliwości taktowania, ale przestało to być prawdą w okolicach 65 nm w połowie 2000 roku. Przy tak małych rozmiarach tranzystory wykazywały nowe zachowanie, którego żaden fizyk nie mógł przewidzieć.

Jednak koniec skalowania Dennarda był niczym w porównaniu z kryzysem, jaki niemal każda fabryka na świecie napotkała w okolicach 32 nm na początku 2010 roku. Zmniejszenie tranzystorów poniżej 32 nm było niezwykle trudne i przez lata Intel był jedyną firmą, która pomyślnie przeszła na proces technologiczny 22 nm, co stanowiło kolejną pełną modernizację po procesie 32 nm. Konkurenci Intela zdołali dogonić konkurencję dopiero w połowie 2010 roku, ale do tego czasu branża znacznie się zmieniła.

Powyższy wykres obrazuje liczbę firm na przestrzeni lat, które w danym roku i pokoleniu były w stanie wyprodukować wiodące w branży węzły. Liczba ta spadała od lat, ale wydawało się, że ustabilizowała się pod koniec XXI wieku i na początku 2010 roku. Potem, gdy firmy zaczęły zdawać sobie sprawę, jak trudno będzie wyjść poza technologię 32 nm, rzuciły ręcznik. Czternaście najnowocześniejszych fabryk dotarło do węzła 45 nm, ale tylko sześć z nich dotarło do 16 nm. Dziś tylko trzy z tych fabryk są nadal w czołówce: Intel, Samsung i TSMC. Wielu jednak spodziewa się, że do grona poległych w końcu dołączą Samsung lub Intel.

Nawet firmy, które są w stanie opracować te nowe węzły, nie są w stanie dorównać zyskom z pokolenia na pokolenie, jakie osiągają starsze węzły. Coraz trudniej jest uzyskać gęstsze żetony; Węzeł TSMC wykonany w procesie technologicznym 3 nm faktycznie nie zdołał zmniejszyć pamięci podręcznej, co jest katastrofalne. I chociaż przyrost gęstości maleje z każdym pokoleniem, produkcja staje się coraz droższa, co powoduje koszt na tranzystor utrzymuje się w stagnacji od czasu 32 nm, co utrudnia sprzedaż procesorów po niższych cenach ceny. Poprawa wydajności i wydajności również nie jest tak dobra, jak kiedyś.

Wszystko to razem oznacza śmierć prawa Moore'a dla ludzi. Nie chodzi tylko o to, żeby nie podwoić liczby tranzystorów co dwa lata; chodzi o rosnące ceny, przekraczanie granic wydajności i brak możliwości zwiększenia wydajności tak łatwo, jak wcześniej. Jest to problem egzystencjalny całej branży komputerowej.

Jak firmy spełniają oczekiwania prawa Moore’a, nawet gdy ono wymiera

Chociaż śmierć prawa Moore’a jest niezaprzeczalnie rosnącym problemem, każdy rok przynosi innowacje od kluczowych graczy, wiele z nich znajduje sposoby na całkowite ominięcie problemów produkcyjnych, które nękają branżę od lat. Podczas gdy prawo Moore’a mówi o tranzystorach, ducha prawa Moore’a można utrzymać przy życiu jedynie poprzez spełnienie tradycyjnych poprawę wydajności z pokolenia na pokolenie, a branża ma do dyspozycji mnóstwo narzędzi, narzędzi, które w ogóle nie istniały dekadę temu.

Technologia chipsetów AMD i Intela (nazywana przez Intela płytkami) nie tylko spełnia oczekiwania dotyczące wydajności określone w prawie Moore'a, ale także oczekiwania dotyczące tranzystorów. Chociaż prawdą jest, że pojedynczy chip może być tylko tak duży, teoretycznie można dodać wiele, wiele chipów do jednego procesora. Chiplet to w zasadzie mały chip, który łączy się z innymi chipletami, tworząc kompletny procesor. Wprowadzenie przez AMD chipletów w 2019 roku pozwoliło firmie podwoić liczbę rdzeni oferowanych w komputerach stacjonarnych i serwerach.

Co więcej, chiplety mogą się specjalizować i właśnie w tym miejscu technologia naprawdę błyszczy w obliczu wygasającego prawa Moore'a. Ponieważ pamięć podręczna tak naprawdę nie zmniejsza się na nowszych węzłach, dlaczego nie umieścić całej pamięci podręcznej na chipletach przy użyciu starszych, tańszych węzłów i rdzeni procesorów na chipletach z najnowszym węzłem? To właśnie AMD zrobiło ze swoimi Pamięć podręczna V 3D a jego pamięć podręczna umiera (lub MCD) w wysokiej klasy procesorach graficznych RX 7000, takich jak RX 7900 XTX. Niektóre najlepsze procesory I najlepsze procesory graficzne AMD nie byłoby możliwe bez chipletów.

Z kolei Nvidia dumnie ogłosił śmierć prawa Moore’a i postawił wszystko na sztuczną inteligencję. Przyspieszając obciążenia dzięki rdzeniom Tensor obsługującym sztuczną inteligencję, wydajność może z łatwością zostać podwojona lub większa, więc Nvidia w ogóle nie dotknęła chipletów. Jednak sztuczna inteligencja jest z pewnością rozwiązaniem wymagającym większego zaangażowania oprogramowania. DLSS, technologia zwiększania rozdzielczości oparta na sztucznej inteligencji firmy Nvidia, wymaga wysiłku zarówno ze strony twórców gier, jak i firmy Nvidia, aby wdrożyć ją w grach, a DLSS również nie jest doskonały.

Jedyną inną opcją poza tymi dwoma jest po prostu ulepszenie architektury procesorów i uzyskanie większej wydajności przy tej samej liczbie tranzystorów. W przeszłości firmom zejście z tej ścieżki było bardzo trudne, a jednocześnie nowym pokoleniom procesory przynoszą ulepszenia architektury, wzrost wydajności jest zazwyczaj jednocyfrowy procenty. Niezależnie od tego może być konieczne, aby projektanci chipów skupili się od teraz bardziej na ulepszeniach architektury, ponieważ nie jest to tylko faza.