กฎของมัวร์คืออะไร และเหตุใดจึงตาย

หากคุณให้ความสนใจกับสื่อเทคโนโลยีในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา คุณคงเคยได้ยินเกี่ยวกับกฎของมัวร์และ เห็นได้ชัดว่ามันกำลังจะตายอย่างไร. น่าเสียดายที่เป็นการยากที่จะอธิบายว่ากฎของมัวร์คืออะไร และมันกำลังจะตายอย่างไรในข่าวมาตรฐาน ต่อไปนี้คือทุกสิ่งที่คุณจำเป็นต้องรู้เกี่ยวกับกฎของมัวร์ ความหมายของโปรเซสเซอร์ เหตุใดผู้คนถึงบอกว่ากฎนี้กำลังจะตาย และบริษัทต่างๆ กำลังหาวิธีแก้ไขปัญหาอย่างไร

กฎหมายเชิงพรรณนาว่าอุตสาหกรรมชิปทำงานอย่างไรมานานหลายทศวรรษ

กฎของมัวร์ได้รับการประกาศเกียรติคุณโดยกอร์ดอน มัวร์ ผู้ร่วมก่อตั้ง Intel ในปี 1965 และคาดการณ์ว่าทุก ๆ สองปี จำนวนทรานซิสเตอร์ (โดยพื้นฐานแล้วเป็นส่วนประกอบที่เล็กที่สุดในโปรเซสเซอร์) จะเพิ่มขึ้นสองเท่า ดังนั้นหากคุณกำลังสร้างชิปที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ในหนึ่งปี คุณควรจะสามารถสร้างชิปที่มีทรานซิสเตอร์เป็นสองเท่าในสองปีให้หลัง หากอุตสาหกรรมสามารถรวบรวมโปรเซสเซอร์ที่มีทรานซิสเตอร์หนึ่งล้านตัวในหนึ่งปี ในเวลาสองปี ชิปทรานซิสเตอร์สองล้านตัวก็น่าจะเป็นไปได้

สิ่งนี้ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับวิธีการผลิตชิปผ่านสิ่งที่เรียกว่า

โหนดกระบวนการ. กระบวนการใหม่แต่ละกระบวนการควรจะหนาแน่นมากขึ้นกว่าครั้งก่อน ซึ่งเป็นวิธีที่อุตสาหกรรมสามารถตอบสนองการคาดการณ์กฎของมัวร์มานานหลายทศวรรษ คุณอาจสงสัยว่าเหตุใดความหนาแน่นจึงจำเป็นต่อการเพิ่มทรานซิสเตอร์อย่างต่อเนื่อง ทำไมไม่สร้างชิปที่ใหญ่กว่าทุกปีล่ะ? ชิปตัวเดียวก็สามารถมีขนาดใหญ่ได้เท่านั้น ชิปที่ใหญ่ที่สุดที่เคยผลิตในปริมาณมากมีขนาดมากถึง 800 มม.2 ซึ่งสามารถใส่ไว้ในอุ้งมือได้อย่างง่ายดาย ดังนั้นความหนาแน่นที่สูงขึ้นจึงเป็นสิ่งจำเป็นในการใส่ทรานซิสเตอร์เข้าไปในชิปมากขึ้น

สำหรับประวัติศาสตร์การประมวลผลส่วนใหญ่ บริษัทประดิษฐ์ (เรียกขานกันว่า fabs) สามารถเปิดตัวโหนดกระบวนการใหม่ได้ทุกปีหรือสองปี และยังคงรักษากฎของมัวร์ต่อไป นอกจากนี้ โหนดใหม่ยังปรับปรุงความถี่ (บางครั้งเรียกว่าประสิทธิภาพ) และประสิทธิภาพการใช้พลังงานอีกด้วย การใช้กระบวนการล่าสุดหรือลำดับที่สองมักเป็นสิ่งที่บริษัทต้องการ เว้นแต่ว่าพวกเขากำลังทำอะไรบางอย่าง ขั้นพื้นฐาน. กฎของมัวร์เป็นเพียงสิ่งที่ไม่ต้องสงสัยที่เกิดขึ้นและถูกมองข้ามไป

กฎของมัวร์กำลังจะตายอย่างไร

อุตสาหกรรมคาดว่าขบวนน้ำเกรวี่ของโหนดใหม่ทุกปีหรือประมาณนั้นจะยังคงดำเนินต่อไปตลอดไป แต่ทุกอย่างพังทลายลงในศตวรรษที่ 21 สัญญาณที่น่ากังวลประการหนึ่งคือการสิ้นสุดการขยายขนาดของ Dennard ซึ่งคาดการณ์ว่าทรานซิสเตอร์ที่มีขนาดกะทัดรัดกว่าจะสามารถรองรับความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่สูงขึ้นได้ แต่นั่นก็หยุดเกิดขึ้นจริงในระดับ 65 นาโนเมตรในช่วงกลางทศวรรษ 2000 ด้วยขนาดที่เล็กเช่นนี้ ทรานซิสเตอร์ได้แสดงพฤติกรรมใหม่ๆ ที่ไม่มีนักฟิสิกส์คนใดสามารถคาดการณ์ได้

แต่การสิ้นสุดของการขยายขนาดของ Dennard นั้นเทียบไม่ได้กับวิกฤตที่โรงงานแทบทุกแห่งในโลกต้องเผชิญในการผลิตประมาณ 32 นาโนเมตรในช่วงต้นปี 2010 การลดขนาดทรานซิสเตอร์ให้ต่ำกว่า 32 นาโนเมตรนั้นเป็นเรื่องยากมาก และเป็นเวลาหลายปีที่ Intel เป็นบริษัทเดียวที่ประสบความสำเร็จในการเปลี่ยนไปใช้โหนด 22 นาโนเมตร ซึ่งเป็นการอัพเกรดเต็มรูปแบบครั้งต่อไปหลังจาก 32 นาโนเมตร จนกระทั่งกลางทศวรรษ 2010 คู่แข่งของ Intel ก็ตามทัน แต่เมื่อถึงตอนนั้น อุตสาหกรรมก็เปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก

แผนภูมิด้านบนแสดงจำนวนบริษัทในช่วงหลายปีที่ผ่านมาที่สามารถสร้างโหนดชั้นนำของอุตสาหกรรมในปีและรุ่นที่กำหนด จำนวนนี้ลดลงมาหลายปีแล้ว แต่ดูเหมือนว่าจะคงที่ในช่วงปลายทศวรรษ 2000 ถึงต้นปี 2010 จากนั้น เมื่อบริษัทต่างๆ เริ่มตระหนักว่าการพัฒนาเกิน 32 นาโนเมตรนั้นยากเพียงใด พวกเขาก็ยอมทุ่ม โรงงานผลิตที่ล้ำสมัยจำนวน 14 รุ่นได้ผลิตไปยังโหนด 45 นาโนเมตร แต่มีเพียง 6 ชิ้นเท่านั้นที่ผลิตได้ถึง 16 นาโนเมตร ปัจจุบัน มีเพียงสามกลุ่มเท่านั้นที่ยังคงอยู่ในระดับแนวหน้า: Intel, Samsung และ TSMC อย่างไรก็ตาม หลายๆ คนคาดหวังว่าทั้ง Samsung หรือ Intel จะร่วมอยู่ในกลุ่มผู้ตกต่ำในที่สุด

แม้แต่บริษัทที่สามารถพัฒนาโหนดใหม่เหล่านี้ก็ไม่สามารถเทียบเคียงกับกำไรจากรุ่นสู่รุ่นของโหนดรุ่นเก่าได้ การทำชิปให้มีความหนาแน่นมากขึ้นทำได้ยากขึ้น จริง ๆ แล้วโหนด 3nm ของ TSMC ไม่สามารถย่อขนาดแคชได้ซึ่งเป็นหายนะ และแม้ว่าความหนาแน่นที่เพิ่มขึ้นจะลดลงในแต่ละรุ่น แต่การผลิตก็มีราคาแพงขึ้น ส่งผลให้ ราคาต่อทรานซิสเตอร์จะซบเซานับตั้งแต่ 32 นาโนเมตร ซึ่งทำให้ยากต่อการขายโปรเซสเซอร์ในระดับต่ำกว่า ราคา การปรับปรุงประสิทธิภาพและประสิทธิภาพยังไม่ดีเท่าที่เคยเป็นมา

ทั้งหมดนี้เป็นสิ่งที่บ่งบอกถึงความตายของกฎของมัวร์สำหรับผู้คน ไม่ใช่แค่ความล้มเหลวในการเพิ่มทรานซิสเตอร์เป็นสองเท่าทุกๆ สองปีเท่านั้น มันเกี่ยวกับราคาที่สูงขึ้น ประสิทธิภาพการทำงานที่ทะลุกำแพง และไม่สามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้อย่างง่ายดายเหมือนเมื่อก่อน นี่เป็นปัญหาที่มีอยู่สำหรับอุตสาหกรรมคอมพิวเตอร์ทั้งหมด

วิธีที่บริษัทต่างๆ ปฏิบัติตามความคาดหวังของกฎของมัวร์แม้ว่าจะกำลังจะตายก็ตาม

ในขณะที่การตายของกฎของมัวร์เป็นปัญหาที่เพิ่มมากขึ้นอย่างปฏิเสธไม่ได้ ทุกปีจะนำนวัตกรรมจากผู้เล่นคนสำคัญมา หลายแห่งกำลังค้นหาวิธีหลีกเลี่ยงปัญหาด้านการผลิตที่สร้างปัญหาให้กับอุตสาหกรรมมานานหลายปีโดยสิ้นเชิง ในขณะที่กฎของมัวร์พูดถึงทรานซิสเตอร์ จิตวิญญาณของกฎของมัวร์สามารถรักษาไว้ได้เพียงพบกับแบบดั้งเดิม การปรับปรุงประสิทธิภาพจากรุ่นสู่รุ่น และอุตสาหกรรมก็มีเครื่องมือมากมายให้เลือกใช้ ซึ่งเป็นเครื่องมือที่ไม่เคยมีมาก่อน ทศวรรษที่ผ่านมา

เทคโนโลยีชิปเล็ตของ AMD และ Intel (ซึ่ง Intel เรียกว่าไทล์) ไม่เพียงแต่ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าตรงตามความคาดหวังด้านประสิทธิภาพตามกฎของมัวร์เท่านั้น แต่ยังตรงตามความคาดหวังของทรานซิสเตอร์ด้วย แม้ว่าชิปตัวเดียวจะมีขนาดใหญ่ได้ก็จริง แต่ในทางทฤษฎีแล้วคุณสามารถเพิ่มชิปจำนวนมากลงในโปรเซสเซอร์ตัวเดียวได้ ชิปเล็ตคือชิปเล็กๆ ที่จับคู่กับชิปเล็ตอื่นๆ เพื่อสร้างโปรเซสเซอร์ที่สมบูรณ์ การนำชิปเล็ตของ AMD มาใช้ในปี 2562 ทำให้บริษัทสามารถเพิ่มจำนวนแกนประมวลผลได้มากขึ้นเป็นสองเท่าในเดสก์ท็อปและเซิร์ฟเวอร์

นอกจากนี้ ชิปเล็ตยังสามารถมีความเชี่ยวชาญพิเศษได้ และนี่คือจุดที่เทคโนโลยีส่องสว่างอย่างแท้จริงเมื่อเผชิญกับกฎของมัวร์ที่กำลังจะตาย เนื่องจากแคชไม่ได้ลดขนาดลงในโหนดรุ่นใหม่จริงๆ ทำไมไม่ลองวางแคชทั้งหมดไว้บนชิปเล็ตที่ใช้โหนดเก่าและราคาถูกกว่า และแกนประมวลผลบนชิปเล็ตที่มีโหนดล่าสุดล่ะ นั่นคือสิ่งที่ AMD ทำกับมัน 3D V-แคช และแคชหน่วยความจำของมันจะตาย (หรือ MCD) ใน GPU RX 7000 ระดับไฮเอนด์เช่น RX 7900 XTX บางส่วน ซีพียูที่ดีที่สุด และ GPU ที่ดีที่สุด จาก AMD จะเป็นไปไม่ได้เลยหากไม่มีชิปเล็ต

ในทางกลับกัน NVIDIA ได้ประกาศอย่างภาคภูมิใจว่า การตายของกฎของมัวร์และเดิมพันทุกอย่างกับ AI ด้วยการเร่งปริมาณงานผ่าน Tensor core ที่รองรับ AI ประสิทธิภาพจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าหรือมากกว่านั้นได้อย่างง่ายดาย ดังนั้น Nvidia จึงไม่แตะต้องชิปเล็ตเลย อย่างไรก็ตาม AI เป็นโซลูชันที่ต้องใช้ซอฟต์แวร์มากกว่าอย่างแน่นอน ดีแอลเอสเอสซึ่งเป็นเทคโนโลยีการเพิ่มขนาดความละเอียดที่ขับเคลื่อนด้วย AI ของ Nvidia ต้องใช้ความพยายามจากทั้งผู้พัฒนาเกมและ Nvidia เพื่อนำไปใช้ในเกม และ DLSS ก็ไม่สมบูรณ์แบบเช่นกัน

ตัวเลือกอื่นนอกเหนือจากทั้งสองนี้ก็คือการปรับปรุงสถาปัตยกรรมของโปรเซสเซอร์และรับประสิทธิภาพมากขึ้นจากจำนวนทรานซิสเตอร์ที่เท่ากัน เส้นทางนี้ในอดีตเป็นเรื่องยากมากสำหรับบริษัทที่จะลงไปและในขณะที่คนรุ่นใหม่ โปรเซสเซอร์มีการปรับปรุงสถาปัตยกรรม โดยทั่วไปการเพิ่มประสิทธิภาพจะเป็นตัวเลขหลักเดียว เปอร์เซ็นต์ ไม่ว่านักออกแบบชิปอาจจำเป็นต้องให้ความสำคัญกับการอัพเกรดสถาปัตยกรรมมากขึ้นนับจากนี้ไป เนื่องจากนี่ไม่ใช่แค่ระยะหนึ่งเท่านั้น