Что такое закон Мура и почему он умирает?

Если вы обращали внимание на технические СМИ в течение последнего десятилетия, вы, вероятно, слышали о законе Мура и как оно, видимо, умирает. К сожалению, трудно описать, что такое закон Мура и как именно он умирает, в стандартной новостной статье. Вот все, что вам нужно знать о законе Мура, о том, что он означает для процессоров, почему люди говорят, что он умирает, и как компании находят обходные пути.

Описательный закон того, как индустрия микросхем работала десятилетиями

Закон Мура был придуман соучредителем Intel Гордоном Муром в 1965 году. Он предсказывает, что каждые два года количество транзисторов (по сути, самого маленького компонента в процессоре) будет удваиваться. Так что, если вы создадите самый большой чип, какой только сможете, через год вы сможете создать чип, в котором будет вдвое больше транзисторов, два года спустя. Если промышленность сможет создать процессор с одним миллионом транзисторов за один год, то через два года станет возможным производство чипа с двумя миллионами транзисторов.

Во многом это связано со способом производства чипов с помощью так называемого узел процесса. Каждый новый процесс должен быть более плотным, чем предыдущий, и именно поэтому отрасль на протяжении десятилетий могла соответствовать прогнозам закона Мура. Вам может быть интересно, почему плотность необходима для увеличения количества транзисторов; почему бы просто не выпускать чипы побольше каждый год? Ну, один чип может быть только таким большим. Площадь самых больших чипов, когда-либо производившихся в большом объеме, не превышала 800 мм2, и они легко умещаются на ладони. Таким образом, чтобы разместить больше транзисторов в чипе, необходима более высокая плотность.

На протяжении большей части истории вычислений производственные компании (в просторечии называемые фабриками) могли запускать новые технологические узлы каждый год или два и соблюдать закон Мура. Кроме того, новые узлы также улучшили частоту (иногда называемую просто производительностью) и энергоэффективность, поэтому использование новейшего или предпоследнего процесса обычно было тем, чего хотели компании, если только они не производили что-то базовый. Закон Мура был просто неоспоримой вещью, которая имела место и считалась само собой разумеющейся.

Как умирает закон Мура

Отрасль ожидала, что поток новых узлов каждый год или около того будет продолжаться вечно, но в 21 веке все рухнуло. Одним из тревожных признаков стал конец масштабирования Деннарда, который предсказывал, что более компактные транзисторы смогут работать на более высоких тактовых частотах, но это перестало быть правдой на отметке 65 нм в середине 2000-х годов. Транзисторы таких крошечных размеров демонстрировали новое поведение, которое не мог предвидеть ни один физик.

Но конец масштабирования Деннарда был ничем по сравнению с кризисом, с которым столкнулись почти все производители в мире в области 32-нм технологии в начале 2010-х годов. Уменьшить количество транзисторов до уровня ниже 32 нм было чрезвычайно сложно, и в течение многих лет Intel была единственной компанией, которая успешно перешла на 22-нм техпроцесс, что стало следующим полным обновлением после 32-нм. Лишь в середине 2010-х годов конкуренты Intel смогли догнать их, но к тому времени отрасль существенно изменилась.

На приведенной выше диаграмме показано количество компаний за прошедшие годы, которые смогли создать ведущие в отрасли узлы в конкретном году и поколении. Это число снижалось в течение многих лет, но, похоже, стабилизировалось в конце 2000-х - начале 2010-х годов. Затем, когда компании начали понимать, насколько сложно будет выйти за рамки 32-нм технологии, они сдались. Четырнадцать передовых заводов перешли на 45-нм техпроцесс, но только шесть из них — на 16-нм. Сегодня только три из этих фабрик все еще находятся на переднем крае: Intel, Samsung и TSMC. Однако многие ожидают, что в конечном итоге ряды павших пополнят либо Samsung, либо Intel.

Даже компании, которые могут разработать эти новые узлы, не могут сравниться с преимуществами старых узлов от поколения к поколению. Делать чипсы более плотными становится все труднее; 3-нм узлу TSMC фактически не удалось уменьшить кэш, что катастрофично. И хотя прирост плотности населения снижается с каждым поколением, производство становится все дороже, что приводит к стоимость транзистора будет стагнировать с момента перехода на 32 нм, что затрудняет продажу процессоров по более низкой цене. Цены. Улучшения производительности и эффективности также не так хороши, как раньше.

Все это вместе и означает смерть закона Мура для людей. Дело не только в том, что каждые два года не удается удвоить количество транзисторов; речь идет о росте цен, ограничении производительности и невозможности повысить эффективность так же легко, как раньше. Это экзистенциальная проблема для всей компьютерной индустрии.

Как компании оправдывают ожидания закона Мура, даже когда он умирает

Хотя отмена закона Мура, несомненно, является растущей проблемой, каждый год приносит инновации от ключевых игроков. многие из них находят способы полностью обойти производственные проблемы, которые преследуют отрасль уже много лет. Хотя закон Мура говорит о транзисторах, дух закона Мура можно сохранить, просто соблюдая традиционные улучшение производительности от поколения к поколению, и в отрасли имеется множество инструментов, инструментов, которых даже не существовало десятилетие назад.

Технология чиплетов AMD и Intel (которую Intel называет плитками) не только доказала, что соответствует ожиданиям по производительности, предусмотренным законом Мура, но даже ожиданиям относительно транзисторов. Хотя это правда, что один чип может быть не очень большим, теоретически вы можете добавить много-много чипов в один процессор. Чиплет — это, по сути, небольшой чип, который в сочетании с другими чиплетами образует полноценный процессор. Внедрение чипсетов AMD в 2019 году позволило компании удвоить количество ядер, предлагаемых в настольных компьютерах и серверах.

Кроме того, чиплеты могут быть специализированными, и именно здесь технология действительно сияет перед лицом умирающего закона Мура. Поскольку кэш на новых узлах на самом деле не уменьшается, почему бы не разместить весь кэш на чиплетах, использующих старые и более дешевые узлы, а ядра процессора — на чиплетах с новейшим узлом? Это то, что AMD делает со своими 3D виртуальный кэш и его кэш-память умирает (или MCD) в высокопроизводительных графических процессорах RX 7000, таких как RX 7900 XTX. Некоторые из лучшие процессоры и лучшие графические процессоры от AMD было бы невозможно без чиплетов.

Нвидия, с другой стороны, с гордостью заявил смерть закона Мура и сделал ставку на ИИ. Ускоряя рабочие нагрузки с помощью ядер Tensor с поддержкой искусственного интеллекта, производительность можно легко удвоить или даже больше, поэтому Nvidia вообще не трогала чиплеты. Однако ИИ, безусловно, является более ресурсоёмким программным решением. ДЛСС, технология повышения разрешения Nvidia на основе искусственного интеллекта требует усилий как со стороны разработчиков игр, так и со стороны Nvidia для реализации в играх, и DLSS также не идеален.

Единственный другой вариант, кроме этих двух, — просто улучшить архитектуру процессоров и получить больше производительности от того же количества транзисторов. Исторически этот путь был очень трудным для компаний, и хотя новые поколения процессоры приносят архитектурные улучшения, прирост производительности обычно выражается однозначным числом проценты. В любом случае, разработчикам микросхем может потребоваться больше внимания к обновлению архитектуры, поскольку это не просто этап.