Čo je Moorov zákon a prečo umiera?

Ak ste za posledné desaťročie venovali pozornosť technickým médiám, pravdepodobne ste už počuli o Moorovom zákone a ako zrejme umiera. Bohužiaľ, je ťažké opísať, čo je Mooreov zákon a ako presne umiera v štandardnej novinke. Tu je všetko, čo potrebujete vedieť o Moorovom zákone, čo to znamená pre procesory, prečo ľudia hovoria, že umiera a ako spoločnosti nachádzajú riešenia.

Popisný zákon o tom, ako funguje čipový priemysel už desaťročia

Moorov zákon vytvoril spoluzakladateľ spoločnosti Intel Gordon Moore v roku 1965 a predpovedá, že každé dva roky sa počet tranzistorov (v podstate najmenšieho komponentu v procesore) zdvojnásobí. Takže ak jeden rok budujete najväčší čip, aký môžete, o dva roky neskôr by ste mali byť schopní vyrobiť čip s dvojnásobným počtom tranzistorov. Ak priemysel dokáže zhromaždiť procesor s miliónom tranzistorov za jeden rok, o dva roky by mal byť možný dvojmiliónový tranzistorový čip.

To do značnej miery súvisí so spôsobom, akým sa čipy vyrábajú prostredníctvom niečoho, čo sa nazýva a

procesný uzol. Predpokladá sa, že každý jeden nový proces bude hustejší ako ten predchádzajúci, a tak toto odvetvie dokázalo naplniť projekcie Mooreovho zákona už desaťročia. Možno sa čudujete, prečo je hustota potrebná na neustále zvyšovanie tranzistorov; prečo nevyrobiť každý rok väčší čip? No, jediný čip môže byť len taký veľký. Najväčšie čipy, aké boli kedy vyrobené vo veľkom objeme, majú maximálne 800 mm2, čo sa ľahko zmestí do dlane. Preto je potrebná vyššia hustota, aby sa do čipu dostalo viac tranzistorov.

Počas väčšiny výpočtovej histórie boli výrobné spoločnosti (hovorovo nazývané fabs) schopné spúšťať nové procesné uzly každý rok alebo dva a udržiavať Mooreov zákon v ústrety. Okrem toho nové uzly tiež zlepšili frekvenciu (niekedy jednoducho nazývanú výkon) a energetickú účinnosť, takže použitie najnovšieho alebo druhého najnovšieho procesu bolo zvyčajne to, čo spoločnosti chceli, pokiaľ niečo nevyrábali základné. Moorov zákon bol len nespochybniteľná vec, ktorá sa stala a bola považovaná za samozrejmosť.

Ako zomiera Moorov zákon

Priemysel očakával, že nápor nových uzlov bude každý rok pokračovať navždy, ale všetko sa zrútilo v 21. storočí. Jedným znepokojujúcim znakom bol koniec Dennardovho škálovania, ktorý predpovedal, že kompaktnejšie tranzistory budú schopné dosiahnuť vyššie rýchlosti hodín, ale to prestalo platiť okolo značky 65nm v polovici roku 2000. Pri takých malých veľkostiach vykazovali tranzistory nové správanie, ktoré žiadny fyzik nemohol predvídať.

Koniec Dennardovho škálovania však nebol ničím v porovnaní s krízou, s ktorou sa začiatkom roka 2010 takmer každá fabrika na svete stretla okolo 32nm. Zmršťovanie tranzistorov pod 32nm bolo mimoriadne ťažké a Intel bol roky jedinou spoločnosťou, ktorá úspešne prešla na 22nm uzol, ďalšiu úplnú aktualizáciu po 32nm. Až v polovici roku 2010 sa konkurentom Intelu podarilo dobehnúť zameškané, no dovtedy sa toto odvetvie podstatne zmenilo.

Vyššie uvedený graf zobrazuje počet spoločností v priebehu rokov, ktoré boli schopné vytvoriť špičkové uzly v danom roku a generácii. Tento počet roky klesal, no zdalo sa, že sa koncom roku 2000 až začiatkom roku 2010 stabilizoval. Potom, keď si spoločnosti začali uvedomovať, aké ťažké bude pokročiť za hranicu 32 nm, hodili uterák do ringu. Do 45nm uzla sa dostalo štrnásť špičkových fabií, no len šesť z nich sa dostalo na 16nm. Dnes sú len tri z týchto fab stále na špici: Intel, Samsung a TSMC. Mnohí však očakávajú, že Samsung alebo Intel sa nakoniec pridajú k padlým.

Dokonca aj spoločnosti, ktoré dokážu vyvinúť tieto nové uzly, sa nedokážu vyrovnať generačným ziskom starších uzlov. Je stále ťažšie vyrobiť lupienky hustejšie; 3nm uzol TSMC v skutočnosti nedokázal zmenšiť vyrovnávaciu pamäť, čo je katastrofálne. A zatiaľ čo prírastky hustoty každou generáciou klesajú, výroba je čoraz drahšia, čo spôsobuje náklady na tranzistor stagnujú už od 32nm, čo sťažuje predaj procesorov za nižšie ceny ceny. Zlepšenia výkonu a efektívnosti tiež nie sú také dobré, ako bývali.

Toto všetko spolu znamená pre ľudí smrť Moorovho zákona. Nejde len o zlyhanie zdvojenia tranzistorov každé dva roky; je to o zvyšovaní cien, o narážaní na steny vo výkone a o neschopnosti zvýšiť efektivitu tak ľahko ako predtým. Ide o existenčný problém pre celý výpočtový priemysel.

Ako spoločnosti spĺňajú očakávania Moorovho zákona, aj keď umiera

Zatiaľ čo smrť Moorovho zákona je nepopierateľne rastúcim problémom, každý rok prináša inovácie od kľúčových hráčov, mnohé z nich hľadajú spôsoby, ako úplne obísť výrobné problémy, ktoré toto odvetvie trápia už roky. Zatiaľ čo Moorov zákon hovorí o tranzistoroch, ducha Moorovho zákona možno udržať pri živote jednoduchým splnením tradičných vylepšenia výkonu z generácie na generáciu a toto odvetvie má k dispozícii množstvo nástrojov, ktoré ešte neexistovali pred desaťročím.

Čipletová technológia AMD a Intelu (ktorú Intel nazýva dlaždice) dokázala nielen splniť výkonnostné očakávania Moorovho zákona, ale dokonca aj tranzistorové očakávania. Aj keď je pravda, že jeden čip môže byť len taký veľký, teoreticky by ste do jedného procesora mohli pridať veľa a veľa čipov. Čiplet je v podstate malý čip, ktorý je spárovaný s inými čipletmi a vytvára tak kompletný procesor. Prijatie čipov AMD v roku 2019 umožnilo spoločnosti zdvojnásobiť počet jadier, ktoré ponúkala v stolných počítačoch a serveroch.

Okrem toho môžu byť čipy špecializované a práve tu táto technológia skutočne žiari tvárou v tvár zomierajúcemu Moorovmu zákonu. Keďže vyrovnávacia pamäť sa na novších uzloch skutočne nezmenšuje, prečo neumiestniť všetku vyrovnávaciu pamäť na čiplety pomocou starších, lacnejších uzlov a jadrá procesora na čiplety s najnovším uzlom? To je to, čo AMD robí so svojimi 3D V-Cache a jeho vyrovnávacia pamäť umiera (alebo MCD) v špičkových GPU RX 7000, ako je RX 7900 XTX. Niektoré z najlepšie CPU a najlepšie GPU od AMD by to bez chipletov nebolo možné.

Nvidia, na druhej strane, hrdo vyhlásil smrť Moorovho zákona a všetko vsadil na AI. Zrýchľovaním pracovného zaťaženia prostredníctvom jadier Tensor s podporou AI sa výkon môže ľahko zdvojnásobiť alebo viac, takže Nvidia sa čipov vôbec nedotkla. AI je však určite softvérovo náročnejšie riešenie. DLSS, technológia na zvýšenie rozlíšenia poháňaná AI od spoločnosti Nvidia, vyžaduje úsilie vývojárov hier aj spoločnosti Nvidia na implementáciu do hier a DLSS tiež nie je dokonalé.

Jedinou ďalšou možnosťou okrem týchto dvoch je jednoducho zlepšiť architektúru procesorov a získať vyšší výkon z rovnakého počtu tranzistorov. Táto cesta bola historicky veľmi ťažké pre spoločnosti ísť dole, a zatiaľ čo nové generácie procesory prinášajú architektonické vylepšenia, zvýšenie výkonu je zvyčajne jednociferné percentá. Bez ohľadu na to môže byť potrebné, aby sa dizajnéri čipov odteraz viac zamerali na vylepšenia architektúry, pretože toto nie je len fáza.