Brže, rjeđe, jeftinije: Je li Koomeyev zakon New Mooreov zakon?

Prijenosna računala, mobiteli i tableti svake godine postaju jeftiniji, elegantniji, snažniji, a vijek trajanja baterije sve je duži. Jeste li se ikad zapitali zašto je to tako i mogu li se uređaji poboljšavati zauvijek?

Odgovor na prvo pitanje objašnjavaju tri zakona koja su otkrili istraživači, poznati kao Mooreov zakon, Dennardovo skaliranje i Koomeyev zakon. Pročitajte kako biste razumjeli utjecaj ovih zakona na računalstvo i kamo bi nas mogli dovesti u budućnosti.

Što je Mooreov zakon?

Ako ste redoviti čitatelj MakeUseOfa, možda ste svjesni mitskog Mooreova zakona.

Izvršni direktor i suosnivač Intela Gordon Moore prvi ga je predstavio 1965. godine.

Predvidio je da će se broj tranzistora na čipu udvostručiti otprilike svake dvije godine i postati jeftiniji između 20 i 30 posto godišnje. Prvi Intelov procesor objavljen je 1971. godine s 2.250 tranzistora i površinom od 12 mm². Današnji CPU sadrže stotine milijuna tranzistora po milimetru kvadratnom.

Iako je započelo kao predviđanje, industrija je također usvojila Mooreov zakon kao putokaz. Pet desetljeća, predvidivost zakona omogućavala je tvrtkama da formuliraju dugoročne strategije, znajući da, čak i kad bi njihovi nacrti bili nemogući u fazi planiranja, Mooreov bi zakon isporučio robu na odgovarajući način trenutak.

To je imalo utjecaj na mnoga područja, od neprestano poboljšane grafike igara do balonastog broja megapiksela u digitalnim fotoaparatima.

Međutim, zakon ima rok trajanja, a stopa napretka usporava se. Iako proizvođači čipova i dalje pronaći nove načine kako zaobići granice silicijskih čipova, Moore i sam vjeruje da to više neće raditi do kraja ovog desetljeća. Ali, to neće biti prvi tehnološki zakon koji će nestati.

Kad Mooreov zakon završava: 3 alternative silicijskim čipovima

Mooreov zakon desetljećima je diktirao tempo tehnološkog razvoja. Ali što se događa kad se dosegnu njegove fizičke granice?

Što se ikad dogodilo s Dennardom Scalingom?

1974. godine IBM-ov istraživač Robert Dennard primijetio je da, kako se tranzistori smanjuju, njihova upotreba energije ostaje proporcionalna njihovoj površini.

Dennard skaliranje, kako je postalo poznato, značilo je da se područje tranzistora smanjivalo za 50 posto svakih 18 mjeseci, što je dovelo do povećanja takta od 40 posto, ali uz istu razinu potrošnje energije.

Drugim riječima, broj izračuna po vatu rastao bi eksponencijalno, ali pouzdano, a tranzistori bi postajali brži, jeftiniji i trošili manje energije.

U doba Dennardovog skaliranja poboljšanje performansi nekad je bilo predvidljiv proces za proizvođače čipova. Upravo su dodali više tranzistora u procesore i povećali frekvencije takta.

Potrošaču je to bilo lako razumjeti: procesor koji radi na 3,0 GHz bio je brži od onog koji radi na 2,0 GHz, a procesori su bili sve brži. Zapravo, Međunarodni tehnološki plan za poluvodiče (ITRS) jednom je predvidio da će dostići taktove 12GHz do 2013!

Ipak, danas najbolji procesori na tržištu imaju osnovnu frekvenciju od samo 4,1 GHz. Što se dogodilo?

Kraj Dennard skaliranja

Takti su zapeli u blatu oko 2004. godine kada je smanjenje potrošnje energije prestalo ići u korak sa stopom skupljanja tranzistora.

Tranzistori su postali premali, a električna struja počela je istjecati, uzrokujući pregrijavanje i visoke temperature, što dovodi do pogrešaka i oštećenja opreme. To je jedan od razloga zašto vaš računalni čip ima hladnjak. Dennard Scaling dosegao je granice koje su diktirali zakoni fizike.

Više jezgri, više problema

Uz kupce i čitavu industriju naviknute na kontinuirana poboljšanja brzine, proizvođači čipova trebali su rješenje. Dakle, počeli su dodavati jezgre procesorima kao način da nastave povećavati performanse.

Međutim, više jezgri nisu toliko učinkovite kao jednostavno povećanje brzine takta na jednojezgrenim jedinicama. Većina softvera ne može iskoristiti prednosti višestruke obrade. Predmemoriranje memorije i potrošnja energije dodatna su uska grla.

Prelazak na višejezgrene čipove također je najavio dolazak tamnog silicija.

Tamno doba silicija

Ubrzo je postalo očito da ako se istovremeno koristi previše jezgri, električna struja može curiti, oživljavajući problem pregrijavanja koji je usmrtio Dennardovo skaliranje na jednojezgrenim čipovima.

Rezultat su višejezgreni procesori koji ne mogu koristiti sve svoje jezgre odjednom. Što više jezgri dodate, to se više tranzistora čipa mora isključiti ili usporiti, u procesu poznatom kao "tamni silicij".

Dakle, iako Mooreov zakon i dalje dopušta da više tranzistora stane na čip, tamni silicij izjeda CPU nekretnine. Stoga dodavanje više jezgri postaje besmisleno, jer ne možete koristiti sve odjednom.

Čini se da je održavanje Mooreova zakona korištenjem više jezgri slijepa ulica.

Kako bi se Mooreov zakon mogao nastaviti

Jedan od lijekova je poboljšati višeprocesorsku obradu softvera. Java, C ++ i drugi jezici dizajnirani za pojedinačne jezgre ustupit će mjesto onima poput Go, koji su bolji za istodobno pokretanje.

Druga mogućnost je povećana upotreba polja s programabilnim vratima (FPGA), vrste prilagodljivog procesora koji se nakon kupnje može ponovno konfigurirati za određene zadatke. Na primjer, kupac bi mogao optimizirati jedan FPGA za obradu video zapisa, a mogao bi biti posebno prilagođen za pokretanje aplikacija za umjetnu inteligenciju.

Izgradnja tranzistora od različitih materijala, poput grafena, drugo je područje koje se istražuje kako bi se iz Mooreovih predviđanja istisnuo više života. I dalje, kvantno računanje može potpuno promijeniti igru.

Budućnost pripada Koomeyjevom zakonu

2011. godine profesor Jonathan Koomey pokazao je da vršna energetska učinkovitost (učinkovitost procesora koji radi na najvećoj brzini) odražava putanju procesorske snage opisanu Mooreovim zakonom.

Koomeyev zakon primijetio je da su se, od zvijeri s vakuumskim cijevima iz 1940-ih do prijenosnika iz 1990-ih, proračuni po džulu energije pouzdano udvostručili svakih 1,57 godina. Drugim riječima, baterija koju je koristio određeni zadatak prepolovila se svakih 19 mjeseci, što je rezultiralo padom energije potrebne za određeno računanje za faktor 100 svakog desetljeća.

Iako su Mooreov zakon i skala Dennarda bili izuzetno važni u svijetu stolnih i prijenosnih računala, način na koji koristimo procesora se toliko promijenio da je energetska učinkovitost koju obećava Koomeyev zakon vjerojatno relevantnija za vas.

Život u računalu vjerojatno je podijeljen između mnogih uređaja: prijenosnih računala, mobitela, tableta i raznih uređaja. U ovo doba proliferirati računarstvo, vijek trajanja baterije i performanse po vatu postaju važniji od istiskivanja više GHz iz naših procesora s puno jezgre.

Isto tako, s većim dijelom naše obrade koja je prepuštena masivnim podatkovnim centrima za računalstvo u oblaku, implikacije troškova energije Koomey-ovog zakona od velikog su interesa za tehnološke divove.

Međutim, od 2000. godine, udvostručavanje energetske učinkovitosti u cijeloj industriji opisano Koomeyevim zakonom usporilo je zbog kraja Dennardovog skaliranja i usporavanja Mooreova zakona. Koomeyev zakon sada donosi svake 2,6 godine, a tijekom desetljeća energetska učinkovitost povećava se samo za faktor 16, a ne za 100.

Možda je preuranjeno reći da Koomeyev zakon već slijedi Dennarda i Moorea u zalazak sunca. AMD je 2020. izvijestio da je energetska učinkovitost njegovog AMD Ryzen 7 4800H procesora porasla za faktor 31.7 u usporedbi sa svojim CPU-ima iz 2014., dajući Koomey-ovom zakonu pravovremeni i značajan poticaj.

Povezano: Appleov novi M1 čip je izmjenjivač igara: sve što trebate znati

Redefiniranje učinkovitosti za proširenje Koomey-ovog zakona

Učinkovitost najveće izlazne snage samo je jedan od načina procjene računalne učinkovitosti i onaj koji je možda zastario.

Ova je metrika imala više smisla u proteklim desetljećima, kada su računala bila oskudna, skupi resursi koje su korisnici i aplikacije često gurali do svojih granica.

Sada većina procesora radi na vrhunskim performansama samo mali dio svog života, na primjer kada pokreće videoigru. Za ostale zadatke, poput provjere poruka ili pregledavanja weba, potrebno je puno manje energije. Kao takva, prosječna energetska učinkovitost postaje fokus.

Koomey je izračunao ovu "učinkovitost uobičajene upotrebe" podijelivši broj operacija izvedenih godišnje sa ukupne potrošene energije i tvrdi da bi trebala zamijeniti standard "maksimalne učinkovitosti" korišten u njegovom izvorniku formulacija.

Iako se analiza još treba objaviti, između 2008. i 2020. godine očekuje se efikasnost tipične upotrebe udvostručio se svakih 1,5 godina ili tako nekako, vraćajući Koomeyev zakon na optimalnu stopu viđenu kad je Mooreov zakon bio u svojoj premijera.

Jedna od implikacija Koomey-ovog zakona jest da će se uređaji i dalje smanjivati ​​i postajati manje energetski zahtjevni. Smanjujući se, ali još uvijek brzi procesori, uskoro mogu biti toliko slabi, da će moći crtati svoju energiju izravno iz okoline, kao što su pozadinska toplina, svjetlost, kretanje i drugo izvori.

Takvi sveprisutni uređaji za obradu mogu otvoriti istinsko doba Interneta stvari (IoT) i učiniti vaš pametni telefon izgledom zastarjelog kao i behemoti s vakuumskim cijevima iz 1940-ih.

Međutim, kako znanstvenici i inženjeri otkrivaju i provode sve više i više novih tehnika za optimizaciju "učinkovitosti tipične upotrebe", taj dio ukupne potrošnje energije računala vjerojatno će pasti toliko da će na tipičnim razinama samo vršna snaga biti dovoljno značajna da mjera.

Korištenje vršnog učinka ponovno će postati mjerilo za analizu energetske učinkovitosti. U ovom scenariju, Koomeyev zakon na kraju će se susresti sa istim zakonima fizike koji usporavaju Mooreov zakon.

Ti zakoni fizike, koji uključuju drugi zakon termodinamike, znače da će Koomeyev zakon završiti oko 2048. godine.

Kvantno računanje promijenit će sve

Dobra vijest je da bi dotad kvantno računanje trebalo biti dobro razvijeno, s tranzistorima na bazi pojedinačnih atoma uobičajeno, a nova generacija istraživača morat će otkriti cijeli drugi niz zakona za predviđanje budućnosti računarstvo.

AMD vs. Intel: Koji je najbolji igrački procesor?

Ako gradite igraće računalo i razdvajate se od AMD-a i Intel-ovog CPU-a, vrijeme je da naučite koji je procesor najbolji za vašu igraću opremu.

O autoru