O que é a Lei de Moore e por que ela está morrendo?

Se você prestou atenção à mídia tecnológica na última década, provavelmente já ouviu falar da Lei de Moore e como aparentemente está morrendo. Infelizmente, é difícil descrever o que é a Lei de Moore e como exatamente ela está morrendo em uma notícia padrão. Aqui está tudo o que você precisa saber sobre a Lei de Moore, o que ela significa para os processadores, por que as pessoas dizem que ela está morrendo e como as empresas estão encontrando soluções alternativas.

Uma lei descritiva de como a indústria de chips funcionou por décadas

A Lei de Moore foi cunhada pelo cofundador da Intel, Gordon Moore, em 1965, e prevê que a cada dois anos, o número de transistores (basicamente o menor componente de um processador) dobrará. Portanto, se você estiver construindo o maior chip possível em um ano, deverá ser capaz de fabricar um chip com o dobro dos transistores dois anos depois. Se a indústria conseguir reunir um processador com um milhão de transistores em um ano, dentro de dois anos, um chip de dois milhões de transistores deverá ser possível.

Isto tem a ver em grande parte com a forma como os chips são fabricados através de algo chamado nó de processo. Supõe-se que cada novo processo seja mais denso que o anterior, e é assim que a indústria tem conseguido cumprir as projeções da Lei de Moore durante décadas. Você deve estar se perguntando por que a densidade é necessária para continuar aumentando os transistores; por que não fabricar um chip maior a cada ano? Bem, um único chip só pode ser grande. Os maiores chips já feitos em grande volume têm no máximo 800 mm2, que cabem facilmente na palma da sua mão. Portanto, é necessária uma densidade mais alta para colocar mais transistores em um chip.

Durante a maior parte da história da computação, as empresas de fabricação (coloquialmente chamadas de fabs) conseguiram lançar novos nós de processo a cada um ou dois anos e manter a Lei de Moore funcionando. Além disso, os novos nós também melhoraram a frequência (às vezes chamada simplesmente de desempenho) e a eficiência energética, de modo que usar o processo mais recente ou o penúltimo geralmente era o que as empresas queriam, a menos que estivessem fazendo algo básico. A Lei de Moore foi apenas algo inquestionável que aconteceu e foi dado como certo.

Como a Lei de Moore está morrendo

A indústria esperava que o trem de alegria de novos nós a cada ano continuasse para sempre, mas tudo desabou no século XXI. Um sinal preocupante foi o fim do escalonamento de Dennard, que previa que transistores mais compactos seriam capazes de atingir velocidades de clock mais altas, mas isso deixou de ser verdade em torno da marca de 65 nm em meados dos anos 2000. Com tamanhos tão pequenos, os transistores exibiam um novo comportamento que nenhum físico poderia ter previsto.

Mas o fim do dimensionamento de Dennard não foi nada comparado à crise que quase todas as fábricas do mundo enfrentaram em torno de 32 nm no início de 2010. Reduzir os transistores abaixo de 32 nm foi extremamente difícil e, durante anos, a Intel foi a única empresa a fazer a transição com sucesso para o nó de 22 nm, a próxima atualização completa após 32 nm. Só em meados da década de 2010 é que os concorrentes da Intel conseguiram recuperar o atraso, mas nessa altura a indústria já tinha mudado substancialmente.

O gráfico acima ilustra o número de empresas ao longo dos anos que conseguiram criar nós líderes do setor em um determinado ano e geração. Este número vinha diminuindo há anos, mas parecia estabilizar no final dos anos 2000 até o início de 2010. Depois, quando as empresas começaram a perceber como seria difícil progredir além dos 32nm, atiraram a toalha. Quatorze fábricas de última geração chegaram ao nó de 45 nm, mas apenas seis delas chegaram ao nó de 16 nm. Hoje, apenas três dessas fábricas ainda estão na vanguarda: Intel, Samsung e TSMC. Muitos, no entanto, esperam que a Samsung ou a Intel eventualmente se juntem às fileiras dos caídos.

Mesmo as empresas que conseguem desenvolver esses novos nós não conseguem igualar os ganhos de geração a geração dos nós mais antigos. Está ficando mais difícil tornar os chips mais densos; O nó de 3nm da TSMC realmente não conseguiu reduzir o cache, o que é desastroso. E embora os ganhos de densidade diminuam a cada geração, a produção está a tornar-se mais cara, fazendo com que a custo por transistor estagnar desde 32nm, o que torna mais difícil vender processadores com preços mais baixos preços. As melhorias de desempenho e eficiência também não são tão boas como costumavam ser.

Tudo isso junto é o que significa a morte da Lei de Moore para as pessoas. Não se trata apenas de não conseguir duplicar os transistores a cada dois anos; trata-se de aumentar os preços, atingir barreiras no desempenho e não ser capaz de aumentar a eficiência tão facilmente como antes. Este é um problema existencial para toda a indústria da computação.

Como as empresas estão atendendo às expectativas da Lei de Moore mesmo quando ela está morrendo

Embora a morte da Lei de Moore seja inegavelmente um problema crescente, todos os anos trazem inovações dos principais intervenientes, muitos dos quais estão encontrando maneiras de contornar totalmente os problemas de fabricação que atormentam a indústria há anos. Embora a Lei de Moore fale sobre transistores, o espírito da Lei de Moore pode ser mantido vivo simplesmente atendendo aos requisitos tradicionais. melhorias de desempenho de geração em geração, e a indústria tem muitas ferramentas à sua disposição, ferramentas que nem existiam uma década atrás.

A tecnologia de chips da AMD e da Intel (que a Intel chama de blocos) não só provou atender às expectativas de desempenho da Lei de Moore, mas também às expectativas dos transistores. Embora seja verdade que um único chip só pode ser grande, teoricamente você poderia adicionar muitos e muitos chips a um único processador. Um chiplet é essencialmente um pequeno chip combinado com outros chips para formar um processador completo. A adoção de chips pela AMD em 2019 permitiu à empresa dobrar o número de núcleos oferecidos em desktops e servidores.

Além disso, os chips podem ser especializados, e é aqui que a tecnologia realmente brilha diante da moribunda Lei de Moore. Como o cache não está realmente diminuindo nos nós mais novos, por que não colocar todo o cache em chips usando nós mais antigos e mais baratos e os núcleos do processador em chips com o nó mais recente? É isso que a AMD tem feito com seus Cache V 3D e seu cache de memória morre (ou MCDs) em GPUs RX 7000 de última geração, como o RX 7900 XTX. Alguns dos melhores CPUs e melhores GPUs da AMD não seria possível sem chips.

A Nvidia, por outro lado, orgulhosamente proclamou a morte da Lei de Moore e apostou tudo na IA. Ao acelerar as cargas de trabalho por meio de núcleos Tensor com capacidade de IA, o desempenho pode facilmente dobrar ou mais, de modo que a Nvidia nem tocou nos chips. No entanto, a IA é certamente uma solução que exige mais software. DLSS, a tecnologia de aumento de resolução baseada em IA da Nvidia, requer esforço dos desenvolvedores de jogos e da Nvidia para ser implementada nos jogos, e o DLSS também não é perfeito.

A única outra opção além dessas duas é simplesmente melhorar a arquitetura dos processadores e obter mais desempenho com o mesmo número de transistores. Este caminho tem sido historicamente muito difícil para as empresas seguirem, e embora as novas gerações de processadores trazem melhorias arquitetônicas, o aumento de desempenho é normalmente na casa de um dígito porcentagens. Independentemente disso, pode ser necessário que os projetistas de chips se concentrem mais nas atualizações arquitetônicas de agora em diante, porque isso não é apenas uma fase.