Kaj je Moorov zakon in zakaj umira?

Če ste v zadnjem desetletju bili pozorni na tehnološke medije, ste verjetno že slišali za Moorov zakon in kako očitno umira. Na žalost je težko opisati, kaj je Moorov zakon in kako natančno umira v standardni novici. Tukaj je vse, kar morate vedeti o Moorovem zakonu, kaj pomeni za procesorje, zakaj ljudje pravijo, da umira in kako podjetja iščejo rešitve.

Opisni zakon o tem, kako je industrija čipov delovala desetletja

Moorov zakon je skoval Intelov soustanovitelj Gordon Moore leta 1965 in napoveduje, da se bo vsaki dve leti število tranzistorjev (v bistvu najmanjše komponente v procesorju) podvojilo. Če torej eno leto izdelujete največji čip, kar jih lahko, bi morali dve leti kasneje narediti čip, ki ima dvakrat več tranzistorjev. Če lahko industrija v enem letu zbere procesor z enim milijonom tranzistorjev, bi moral biti čez dve leti mogoč dvomilijonski tranzistorski čip.

To je v veliki meri povezano z načinom proizvodnje čipov prek nečesa, kar se imenuje a

procesno vozlišče. Vsak posamezen nov proces naj bi bil gostejši od prejšnjega, tako da industrija že desetletja izpolnjuje projekcije Moorovega zakona. Morda se sprašujete, zakaj je gostota potrebna za stalno povečevanje tranzistorjev; zakaj ne bi vsako leto naredili večjega čipa? No, en sam čip je lahko le tako velik. Največji žetoni, ki so bili kdaj koli izdelani v velikem obsegu, imajo največ 800 mm2, ki se zlahka prilegajo vaši dlani. Torej je večja gostota potrebna, da bi v čip dobili več tranzistorjev.

Večino računalniške zgodovine so lahko proizvajalska podjetja (pogovorno imenovana fabs) vsako leto ali dve lansirala nova procesna vozlišča in ohranjala Moorov zakon. Poleg tega so nova vozlišča izboljšala tudi frekvenco (včasih preprosto imenovano zmogljivost) in energetsko učinkovitost, torej uporaba najnovejšega ali zadnjega postopka je bila običajno tisto, kar so podjetja želela, razen če so nekaj ustvarjala osnovni. Moorov zakon je bil samo nesporna stvar, ki se je zgodila in je bila samoumevna.

Kako Moorov zakon umira

Industrija je pričakovala, da se bo niz novih vozlišč vsako leto večno nadaljeval, vendar se je v 21. stoletju vse sesulo. Eden od zaskrbljujočih znakov je bil konec Dennardovega skaliranja, ki je napovedovalo, da bodo kompaktnejši tranzistorji lahko dosegli višje takte, vendar je to sredi 2000-ih okoli oznake 65 nm prenehalo veljati. Pri tako majhnih velikostih so tranzistorji kazali novo vedenje, ki ga noben fizik ni mogel predvideti.

Toda konec Dennardovega skaliranja ni bil nič v primerjavi s krizo, s katero so se v zgodnjih 2010-ih srečale skoraj vse tovarne na svetu okoli 32nm. Zmanjšanje tranzistorjev pod 32 nm je bilo izjemno težko in leta je bil Intel edino podjetje, ki je uspešno prešlo na 22 nm vozlišče, naslednjo popolno nadgradnjo po 32 nm. Šele sredi leta 2010 so Intelovi konkurenti uspeli dohiteti zaostanek, a do takrat se je industrija bistveno spremenila.

Zgornji grafikon ponazarja število podjetij v preteklih letih, ki jim je uspelo ustvariti vodilna vozlišča v panogi v danem letu in generaciji. Ta številka je leta upadala, vendar se je zdelo, da se je stabilizirala v poznih 2000-ih do zgodnjih 2010-ih. Potem, ko so se podjetja začela zavedati, kako težko bi bilo napredovati prek 32 n, so vrgla brisačo. Štirinajst najsodobnejših tovarn je doseglo 45-nanometrsko vozlišče, le šest pa jih je doseglo 16-nanometrsko vozlišče. Danes so samo tri od teh tovarn še vedno vrhunske: Intel, Samsung in TSMC. Mnogi pa pričakujejo, da se bosta padlim sčasoma pridružila bodisi Samsung bodisi Intel.

Celo podjetja, ki lahko razvijejo ta nova vozlišča, se ne morejo kosati s pridobitvami iz generacije v generacijo starejših vozlišč. Vse težje je narediti čips gostejši; 3nm vozlišču TSMC dejansko ni uspelo skrčiti predpomnilnika, kar je katastrofalno. In medtem ko se povečanje gostote vsako generacijo zmanjšuje, postaja proizvodnja dražja, kar povzroča cena na tranzistor stagnira vse od 32nm, zaradi česar je težje prodajati procesorje cene. Tudi izboljšave zmogljivosti in učinkovitosti niso tako dobre, kot so bile.

Vse to skupaj je tisto, kar za ljudi pomeni smrt Moorovega zakona. Ne gre le za to, da vsaki dve leti ne uspe podvojiti tranzistorjev; gre za naraščajoče cene, udarjanje v zidove pri zmogljivosti in nezmožnost povečanja učinkovitosti tako zlahka kot prej. To je eksistencialni problem za celotno računalniško industrijo.

Kako podjetja izpolnjujejo pričakovanja Moorovega zakona, čeprav ta umira

Čeprav je smrt Moorovega zakona nedvomno vse večji problem, vsako leto prinaša inovacije ključnih akterjev, mnogi od njih najdejo načine, kako popolnoma zaobiti proizvodne težave, ki že leta pestijo industrijo. Medtem ko Moorov zakon govori o tranzistorjih, lahko duh Moorovega zakona ohranimo pri življenju zgolj s srečanjem s tradicionalnimi izboljšave zmogljivosti iz generacije v generacijo, industrija pa ima na voljo veliko orodij, orodij, ki sploh niso obstajala pred desetletjem.

Tehnologija čipletov AMD in Intel (ki jo Intel imenuje ploščice) ni le dokazala, da izpolnjuje pričakovanja glede zmogljivosti Moorovega zakona, ampak celo pričakovanja glede tranzistorjev. Čeprav je res, da je en sam čip lahko le tako velik, bi teoretično lahko enemu procesorju dodali veliko in veliko čipov. Čiplet je v bistvu majhen čip, ki je združen z drugimi čipleti, da naredi popoln procesor. AMD-jevo sprejetje čipletov leta 2019 je podjetju omogočilo podvojitev števila jeder, ki jih ponuja v namiznih računalnikih in strežnikih.

Poleg tega je čiplete mogoče specializirati in tukaj tehnologija resnično zasije ob umirajočem Moorovem zakonu. Ker se predpomnilnik na novejših vozliščih v resnici ne krči, zakaj ne bi vsega predpomnilnika namestili na čiplete, ki uporabljajo starejša, cenejša vozlišča, in procesorskih jeder na čiplete z najnovejšim vozliščem? To je tisto, kar AMD počne s svojim 3D V-Cache in njegov pomnilniški predpomnilnik umre (ali MCD) v vrhunskih grafičnih procesorjih RX 7000, kot je RX 7900 XTX. Nekateri od najboljši procesorji in najboljši grafični procesorji podjetja AMD ne bi bilo mogoče brez čipletov.

Nvidia pa na drugi strani je ponosno razglasil smrt Moorovega zakona in je vse stavil na AI. S pospeševanjem delovnih obremenitev prek jeder Tensor, ki podpirajo AI, se lahko zmogljivost zlahka podvoji ali še več, zato se Nvidia čipletov sploh ni dotaknila. Vendar pa je umetna inteligenca zagotovo bolj programsko intenzivna rešitev. DLSS, Nvidijina tehnologija povečanja ločljivosti, ki jo poganja umetna inteligenca, zahteva trud razvijalcev iger in Nvidie za implementacijo v igre, DLSS pa tudi ni popoln.

Edina druga možnost poleg teh dveh je preprosto izboljšati arhitekturo procesorjev in doseči večjo zmogljivost z enakim številom tranzistorjev. Ta pot je bila zgodovinsko zelo težka za podjetja in nove generacije procesorji prinašajo arhitekturne izboljšave, je dvig zmogljivosti običajno enomesten odstotkov. Ne glede na to bo morda potrebno, da se oblikovalci čipov od zdaj naprej bolj osredotočijo na arhitekturne nadgradnje, ker to ni le faza.