Ce este legea lui Moore și de ce moare?

Dacă ați acordat atenție mass-mediei tehnologice în ultimul deceniu, probabil că ați auzit despre Legea lui Moore și cum se pare că moare. Din păcate, este greu de descris ce este Legea lui Moore și cum exact moare într-o știre standard. Iată tot ce trebuie să știți despre Legea lui Moore, ce înseamnă aceasta pentru procesoare, de ce oamenii spun că este pe moarte și cum găsesc companiile soluții.

O lege descriptivă a modului în care a funcționat industria cipurilor de zeci de ani

Legea lui Moore a fost inventată de co-fondatorul Intel Gordon Moore în 1965 și prezice că la fiecare doi ani, numărul de tranzistori (în principiu, cea mai mică componentă dintr-un procesor) se va dubla. Deci, dacă construiți cel mai mare cip posibil într-un an, ar trebui să puteți face un cip care are dublul tranzistorilor doi ani mai târziu. Dacă industria poate strânge un procesor cu un milion de tranzistori într-un an, în doi ani, un cip de două milioane de tranzistori ar trebui să fie posibil.

Acest lucru are de-a face în mare parte cu modul în care cipurile sunt fabricate prin ceva numit a nodul procesului. Fiecare proces nou ar trebui să fie mai dens decât ultimul, astfel încât industria a reușit să îndeplinească proiecțiile Legii lui Moore de zeci de ani. S-ar putea să vă întrebați de ce este necesară densitatea pentru a continua creșterea tranzistorilor; de ce să nu faci un cip mai mare în fiecare an? Ei bine, un singur cip poate fi doar atât de mare. Cele mai mari cipuri realizate vreodată în volum mare sunt de cel mult 800 mm2, care pot încăpea cu ușurință în palma mâinii tale. Deci, este necesară o densitate mai mare pentru a introduce mai mulți tranzistori într-un cip.

Pentru cea mai mare parte a istoriei de calcul, companiile de fabricație (numite în mod colocvial fabs) au putut să lanseze noi noduri de proces în fiecare an sau doi și să mențină Legea lui Moore. În plus, noile noduri au îmbunătățit și frecvența (uneori numită pur și simplu performanță) și eficiența energetică, deci utilizarea celui mai recent sau al doilea proces era de obicei ceea ce își doreau companiile, cu excepția cazului în care făceau ceva de bază. Legea lui Moore a fost doar un lucru incontestabil care s-a întâmplat și a fost luat de la sine înțeles.

Cum moare Legea lui Moore

Industria se aștepta ca trenul de sos de noduri noi în fiecare an să continue pentru totdeauna, dar totul s-a prăbușit în secolul 21. Un semn îngrijorător a fost sfârșitul scalării Dennard, care a prezis că tranzistorii mai compacti vor putea atinge viteze de ceas mai mari, dar acest lucru a încetat să mai fie adevărat în jurul valorii de 65 nm la mijlocul anilor 2000. La dimensiuni atât de mici, tranzistorii prezentau un comportament nou pe care niciun fizician nu l-ar fi putut prevedea.

Dar sfârșitul scalarii Dennard nu a fost nimic în comparație cu criza pe care aproape fiecare fabrică din lume a întâlnit-o în jurul valorii de 32 nm la începutul anilor 2010. Scăderea tranzistorilor sub 32 nm a fost extrem de dificilă și, ani de zile, Intel a fost singura companie care a trecut cu succes la nodul de 22 nm, următoarea actualizare completă după 32 nm. Abia la mijlocul anilor 2010 concurenții Intel au reușit să ajungă din urmă, dar până atunci, industria se schimbase substanțial.

Graficul de mai sus ilustrează numărul de companii de-a lungul anilor care au reușit să realizeze noduri de vârf în industrie într-un anumit an și generație. Acest număr a scăzut de ani de zile, dar părea să se stabilizeze la sfârșitul anilor 2000 până la începutul anilor 2010. Apoi, când companiile au început să realizeze cât de dificil ar fi să progreseze dincolo de 32 nm, au aruncat prosopul. Paisprezece fabrici de ultimă generație au ajuns la nodul de 45 nm, dar doar șase dintre ele au ajuns la 16 nm. Astăzi, doar trei dintre aceste fabrici sunt încă la vârf: Intel, Samsung și TSMC. Mulți, totuși, se așteaptă ca Samsung sau Intel să se alăture în cele din urmă rândurilor celor căzuți.

Chiar și companiile care pot dezvolta aceste noduri noi nu pot egala câștigurile de la generație la generație ale nodurilor mai vechi. Devine din ce în ce mai greu să faci chips-uri mai dense; Nodul de 3 nm al TSMC nu a reușit să micșoreze memoria cache, ceea ce este dezastruos. Și în timp ce câștigurile de densitate sunt în scădere cu fiecare generație, producția devine mai scumpă, provocând costul pe tranzistor să stagneze încă de la 32 nm, ceea ce face mai dificilă vânzarea procesoarelor la un preț mai mic. preturi. De asemenea, îmbunătățirile de performanță și eficiență nu sunt la fel de bune ca înainte.

Toate acestea împreună sunt ceea ce înseamnă moartea Legii lui Moore pentru oameni. Nu este vorba doar de a nu dubla tranzistoarele la fiecare doi ani; este vorba de creșterea prețurilor, de lovirea de pereți în performanță și de a nu putea crește eficiența la fel de ușor ca înainte. Aceasta este o problemă existențială pentru întreaga industrie de calcul.

Cum companiile îndeplinesc așteptările Legii lui Moore chiar și în timp ce aceasta este pe moarte

În timp ce moartea Legii lui Moore este, fără îndoială, o problemă în creștere, fiecare an aduce inovații de la jucători cheie, dintre care multe găsesc modalități de a ocoli total problemele de producție care au afectat industria de ani de zile. În timp ce Legea lui Moore vorbește despre tranzistori, spiritul Legii lui Moore poate fi menținut în viață prin simpla întâlnire cu tradiția îmbunătățiri ale performanței de la o generație la alta, iar industria are la dispoziție o mulțime de instrumente, instrumente care nici măcar nu existau acum un deceniu.

Tehnologia chipletului AMD și Intel (pe care Intel o numește tile) nu numai că s-a dovedit că îndeplinește așteptările de performanță ale Legii lui Moore, ci chiar și așteptările tranzistorului. Deși este adevărat că un singur cip poate fi doar atât de mare, teoretic ai putea adăuga o mulțime de cipuri la un singur procesor. Un chiplet este în esență un mic cip care este asociat cu alte chipleturi pentru a face un procesor complet. Adoptarea de către AMD a chiplet-urilor în 2019 a permis companiei să dubleze numărul de nuclee pe care le-a oferit în desktop-uri și servere.

În plus, chipleturile pot fi specializate și aici tehnologia strălucește cu adevărat în fața Legii lui Moore pe moarte. Deoarece memoria cache nu se micșorează cu adevărat pe nodurile mai noi, de ce să nu puneți toată memoria cache pe chiplete folosind noduri mai vechi și mai ieftine și nucleele procesorului pe chiplete cu cel mai recent nod? Asta a făcut AMD cu el 3D V-Cache iar memoria cache-ului său moare (sau MCD-uri) în GPU-uri RX 7000 de înaltă calitate, cum ar fi RX 7900 XTX. Unele dintre cele mai bune procesoare și cele mai bune GPU-uri de la AMD nu ar fi posibil fără chipleturi.

Nvidia, pe de altă parte, a proclamat cu mândrie moartea Legii lui Moore și a mizat totul pe AI. Prin accelerarea sarcinilor de lucru prin nucleele Tensor capabile de AI, performanța se poate dubla sau mai mult cu ușurință, astfel încât Nvidia nu a atins deloc chipleturile. Cu toate acestea, AI este cu siguranță o soluție mai intensivă în software. DLSS, tehnologia de upscaling a rezoluției bazată pe inteligență artificială a Nvidia, necesită efort atât de la dezvoltatorii de jocuri, cât și de la Nvidia pentru a fi implementată în jocuri, iar nici DLSS nu este perfect.

Singura altă opțiune în afară de acestea două este pur și simplu îmbunătățirea arhitecturii procesoarelor și obținerea mai multor performanțe de la același număr de tranzistori. Această cale a fost din istorie foarte dificilă pentru companii să coboare, iar noile generații de procesoarele aduc îmbunătățiri arhitecturale, creșterea performanței este de obicei cu o singură cifră procente. Indiferent, ar putea fi necesar ca designerii de cipuri să se concentreze mai mult pe actualizările arhitecturale de acum înainte, deoarece aceasta nu este doar o fază.