Vad är Moores lag och varför dör den?

Om du har uppmärksammat teknisk media under det senaste decenniet, har du förmodligen hört talas om Moores lag och hur det tydligen dör. Tyvärr är det svårt att beskriva vad Moores lag är och exakt hur den dör i en standardnyhet. Här är allt du behöver veta om Moores lag, vad det betyder för processorer, varför folk säger att det håller på att dö och hur företag hittar lösningar.

En beskrivande lag för hur chipindustrin har fungerat i decennier

Moores lag myntades av Intels medgrundare Gordon Moore 1965, och den förutspår att antalet transistorer (i princip den minsta komponenten i en processor) kommer att fördubblas vartannat år. Så om du bygger det största chipet du kan ett år, borde du kunna göra ett chip som har dubbelt så många transistorer två år senare. Om industrin kan uppbåda en processor med en miljon transistorer på ett år, om två år, borde ett två miljoner transistorchip vara möjligt.

Detta har till stor del att göra med hur chips tillverkas genom något som kallas a

processnod. Varje ny process är tänkt att vara tätare än den förra, vilket är hur industrin har kunnat möta Moores lagprojektioner i decennier. Du kanske undrar varför densitet är nödvändig för att fortsätta öka transistorerna; varför inte bara göra ett större chip varje år? Tja, ett enda chip kan bara vara så stort. De största spånen som någonsin gjorts i stor volym är som mest 800 mm2, vilket lätt får plats i din handflata. Så högre densitet är nödvändig för att få in fler transistorer i ett chip.

Under större delen av datorhistorien kunde tillverkningsföretag (i vardagsspråket kallade fabs) lansera nya processnoder varje eller två och hålla Moores lag igång. Dessutom förbättrade nya noder också frekvensen (ibland bara kallad prestanda) och energieffektiviteten, så att använda den senaste eller näst senaste processen var vanligtvis vad företag ville om de inte gjorde något grundläggande. Moores lag var bara en obestridd sak som hände och togs för given.

Hur Moores lag håller på att dö

Branschen förväntade sig att såsen av nya noder varje år eller så skulle fortsätta för evigt, men det hela rasade under 2000-talet. Ett oroande tecken var slutet på Dennard-skalningen, som förutspådde att mer kompakta transistorer skulle kunna nå högre klockhastigheter, men det slutade vara sant runt 65nm-märket i mitten av 2000-talet. Vid så små storlekar uppvisade transistorer nytt beteende som ingen fysiker kunde ha förutsett.

Men slutet på Dennard-skalningen var ingenting jämfört med krisen som nästan alla fabriker i världen stötte på runt 32nm i början av 2010-talet. Att krympa transistorer ner under 32nm var extremt svårt, och i åratal var Intel det enda företaget som lyckades gå över till 22nm-noden, nästa fullständiga uppgradering efter 32nm. Det var inte förrän i mitten av 2010-talet som Intels konkurrenter kunde komma ikapp, men då hade branschen förändrats avsevärt.

Diagrammet ovan illustrerar antalet företag under åren som kunnat göra branschledande noder under ett givet år och generation. Denna siffra hade sjunkit i flera år men verkade stabiliseras i slutet av 2000-talet till början av 2010-talet. Sedan, när företag började inse hur svårt det skulle vara att komma över 32nm, kastade de in handduken. Fjorton banbrytande fabs kom till 45nm-noden, men bara sex av dem kom till 16nm. Idag är bara tre av dessa fabs fortfarande i framkant: Intel, Samsung och TSMC. Många förväntar sig dock att antingen Samsung eller Intel kommer att ansluta sig till de fallnas led så småningom.

Även företag som kan utveckla dessa nya noder kan inte matcha vinsterna från generation till generation hos äldre noder. Det blir svårare att göra chips tätare; TSMC: s 3nm-nod lyckades faktiskt inte krympa cachen, vilket är katastrofalt. Och medan täthetsvinster minskar för varje generation, blir produktionen dyrare, vilket orsakar kostnad per transistor att stagnera ända sedan 32nm, vilket gör det svårare att sälja processorer till lägre priser. Prestanda- och effektivitetsförbättringar är inte heller lika bra som de brukade vara.

Allt detta tillsammans är vad som betyder döden av Moores lag för människor. Det handlar inte bara om att misslyckas med att dubbla transistorer vartannat år; det handlar om att stiga priser, slå i väggar i prestanda och att inte kunna öka effektiviteten lika enkelt som tidigare. Detta är ett existentiellt problem för hela datorbranschen.

Hur företag uppfyller förväntningarna på Moores lag även när den håller på att dö

Även om döden av Moores lag onekligen är ett växande problem, kommer varje år innovation från nyckelspelare, många av dem hittar sätt att helt kringgå tillverkningsproblem som har plågat branschen i flera år. Medan Moores lag talar om transistorer, kan andan i Moores lag hållas vid liv genom att bara möta traditionella prestandaförbättringar från generation till generation, och branschen har massor av verktyg till sitt förfogande, verktyg som inte ens fanns ett decennium sedan.

AMD och Intels chipletteknologi (som Intel kallar tiles) har inte bara visat sig uppfylla prestandaförväntningarna i Moores lag utan även transistorförväntningarna. Även om det är sant att ett enda chip bara kan vara så stort, kan du teoretiskt lägga till massor av chips till en enda processor. En chiplet är i huvudsak ett litet chip som är ihopkopplat med andra chiplets för att göra en komplett processor. AMD: s antagande av chiplets 2019 gjorde det möjligt för företaget att fördubbla antalet kärnor som det erbjöd i stationära datorer och servrar.

Dessutom kan chiplets vara specialiserade, och det är här tekniken verkligen lyser inför en döende Moores lag. Eftersom cachen inte riktigt krymper på nyare noder, varför inte lägga all cache på chiplets med hjälp av äldre, billigare noder och processorkärnorna på chiplets med den senaste noden? Det är vad AMD har gjort med sin 3D V-cache och dess minnescache dör (eller MCD-skivor) i avancerade RX 7000 GPU: er som RX 7900 XTX. Några av bästa CPU: er och bästa GPU: er från AMD skulle inte vara möjligt utan chiplets.

Nvidia, å andra sidan, har stolt förkunnat Moores lags död och har satsat allt på AI. Genom att accelerera arbetsbelastningen genom AI-kapabla Tensor-kärnor kan prestandan lätt fördubblas eller mer, så Nvidia har inte rört chiplets alls. Men AI är verkligen en mer mjukvaruintensiv lösning. DLSS, Nvidias AI-drivna upplösningsuppskalningsteknik, kräver ansträngning från både spelutvecklare och Nvidia för att implementera i spel, och DLSS är inte heller perfekt.

Det enda andra alternativet förutom dessa två är att helt enkelt förbättra arkitekturen för processorer och få mer prestanda från samma antal transistorer. Denna väg har historiskt sett varit mycket svår för företag att gå in på, och medan nya generationer av processorer ger arkitektoniska förbättringar, prestandahöjningen är vanligtvis ensiffrig procentsatser. Oavsett vilket kan det vara nödvändigt för chipdesigners att fokusera mer på arkitektoniska uppgraderingar från och med nu eftersom detta inte bara är en fas.