Що таке закон Мура і чому він вмирає?

Якщо ви протягом останнього десятиліття приділяли увагу технологічним медіа, ви, мабуть, чули про закон Мура та як воно, очевидно, вмирає. На жаль, важко описати, що таке закон Мура і як саме він вмирає, у стандартній новині. Ось усе, що вам потрібно знати про закон Мура, що він означає для процесорів, чому люди кажуть, що він вмирає, і як компанії знаходять обхідні шляхи.

Описовий закон того, як індустрія чіпів працювала десятиліттями

Закон Мура був створений співзасновником Intel Гордоном Муром у 1965 році, і він передбачає, що кожні два роки кількість транзисторів (загалом найменшого компонента в процесорі) буде подвоюватися. Отже, якщо ви створюєте найбільший чіп, який тільки можливо, через два роки ви зможете зробити чіп, який має вдвічі більше транзисторів. Якщо індустрія зможе зібрати процесор з мільйоном транзисторів за один рік, через два роки стане можливим двомільйонний транзисторний чіп.

Це значною мірою пов’язано зі способом виробництва мікросхем за допомогою так званого a

вузол процесу. Передбачається, що кожен новий процес має бути щільнішим, ніж попередній, тому промисловість протягом десятиліть могла відповідати прогнозам закону Мура. Вам може бути цікаво, навіщо потрібна щільність, щоб постійно збільшувати кількість транзисторів; чому б не робити щороку більший чіп? Що ж, одна мікросхема може бути дуже великою. Найбільші чіпи, коли-небудь виготовлені у великому обсязі, мають не більше 800 мм2, і вони легко поміщаються у вашій долоні. Таким чином, більш висока щільність необхідна, щоб отримати більше транзисторів у мікросхемі.

Протягом більшої частини історії обчислювальної техніки компанії-виробники (у просторіччі їх називають фабриками) мали змогу запускати нові технологічні вузли щороку чи два та підтримувати закон Мура. Крім того, нові вузли також підвищили частоту (іноді її просто називають продуктивністю) та енергоефективність використання останнього або останнього процесу зазвичай було тим, чого хотіли компанії, якщо вони не створювали щось основний. Закон Мура був просто беззаперечною річчю, яка мала місце і сприймалася як належне.

Як вмирає закон Мура

Індустрія очікувала, що кількість нових вузлів щороку триватиме вічно, але в 21 столітті все зазнало краху. Однією з тривожних ознак стало завершення масштабування Деннарда, яке передбачало, що більш компактні транзистори зможуть досягти вищих тактових частот, але це перестало відповідати приблизно 65-нм позначці в середині 2000-х років. При таких крихітних розмірах транзистори демонстрували нову поведінку, яку жоден фізик не міг передбачити.

Але кінець масштабування Деннарда був нічим у порівнянні з кризою, з якою на початку 2010-х зіткнулися майже всі фабрики у світі навколо 32-нм. Зменшити кількість транзисторів нижче 32 нм було надзвичайно важко, і протягом багатьох років Intel була єдиною компанією, яка успішно перейшла на 22-нм вузол, наступне повне оновлення після 32-нм. Лише в середині 2010-х років конкуренти Intel змогли наздогнати, але до того часу галузь суттєво змінилася.

Наведена вище діаграма ілюструє кількість компаній за роки, які змогли створити провідні вузли в галузі за певний рік і покоління. Ця кількість роками зменшувалася, але, здається, стабілізувалася наприкінці 2000-х – на початку 2010-х років. Потім, коли компанії почали усвідомлювати, наскільки важко буде вийти за межі 32 нм, вони кинули рушник. Чотирнадцять найсучасніших фабрик досягли 45-нм вузла, але лише шість із них досягли 16-нм. Сьогодні лише три з цих фабрик все ще є передовими: Intel, Samsung і TSMC. Однак багато хто очікує, що в кінці кінців або Samsung, або Intel приєднаються до лав загиблих.

Навіть компанії, які можуть розробити ці нові вузли, не можуть зрівнятися з перевагами старих вузлів від покоління до покоління. Зробити чіпси щільнішими стає все складніше; 3-нм вузол TSMC фактично не зміг зменшити кеш, що є катастрофічним. І хоча збільшення щільності зменшується з кожним поколінням, виробництво стає дорожчим, що спричиняє вартість транзистора стагнує з 32-нм, що ускладнює продаж процесорів за нижчою ціною. ціни. Покращення продуктивності та ефективності також не такі хороші, як раніше.

Усе це разом є тим, що означає смерть закону Мура для людей. Справа не лише в тому, що не вдалося подвоювати транзистори кожні два роки; це про зростання цін, удари по продуктивності та неможливість підвищити ефективність так легко, як раніше. Це екзистенційна проблема для всієї обчислювальної індустрії.

Як компанії виправдовують очікування закону Мура, навіть коли він вмирає

Хоча смерть закону Мура, безсумнівно, є зростаючою проблемою, кожен рік приносить інновації від ключових гравців, багато з яких знаходять способи повністю обійти виробничі проблеми, які мучать галузь роками. У той час як закон Мура говорить про транзистори, дух закону Мура можна зберегти, просто дотримуючись традиційних покращення продуктивності від покоління до покоління, і галузь має у своєму розпорядженні багато інструментів, інструментів, яких навіть не існувало десять років тому.

Технологія чіплетів AMD і Intel (яку Intel називає плитками) не тільки довела, що відповідає вимогам щодо продуктивності, передбаченим законом Мура, але навіть вимогам щодо транзисторів. Хоча це правда, що одна мікросхема може бути дуже великою, теоретично ви можете додати багато-багато мікросхем до одного процесора. Чіплет — це, по суті, маленький чіп, який об’єднується з іншими чіплетами, щоб створити повний процесор. Прийняття AMD чіплетів у 2019 році дозволило компанії подвоїти кількість ядер, які вона пропонує в настільних комп’ютерах і серверах.

Крім того, чіплети можуть бути спеціалізованими, і саме тут ця технологія справді сяє перед обличчям закону Мура, що вмирає. Оскільки кеш-пам’ять насправді не зменшується на нових вузлах, чому б не помістити весь кеш на чіплети, використовуючи старіші, дешевші вузли, а ядра процесора – на чіплети з останнім вузлом? Це те, що AMD робила з ним 3D V-Cache і його кеш-пам’ять «вмирає» (або MCD) у високоякісних графічних процесорах RX 7000, таких як RX 7900 XTX. Деякі з найкращі процесори і найкращі графічні процесори від AMD було б неможливо без чіплетів.

Nvidia, з іншого боку, з гордістю проголосив загибель закону Мура і зробив усе на ШІ. Завдяки прискоренню робочих навантажень за допомогою ядер Tensor, що підтримують штучний інтелект, продуктивність може легко подвоїтися або навіть більше, тому Nvidia взагалі не торкалася чіплетів. Однак штучний інтелект, безумовно, є більш інтенсивним програмним забезпеченням. DLSS, технологія збільшення роздільної здатності Nvidia на основі штучного інтелекту, вимагає зусиль як від розробників ігор, так і від Nvidia для впровадження в ігри, і DLSS також не ідеальний.

Єдиним іншим варіантом, окрім цих двох, є просто покращити архітектуру процесорів і отримати більшу продуктивність від тієї ж кількості транзисторів. Цей шлях історично був дуже важким для компаній, і в той час як для нових поколінь процесори приносять архітектурні вдосконалення, підвищення продуктивності зазвичай однозначне відсотки. Незважаючи на це, відтепер розробникам чіпів може знадобитися більше зосередитися на модернізації архітектури, оскільки це не просто етап.