Rýchlejšie, tenšie, lacnejšie: Je Koomeyho zákon zákonom New Moore?

Notebooky, mobily a tablety sú každý rok lacnejšie, elegantnejšie a výkonnejšie, zatiaľ čo výdrž batérie sa predlžuje. Zamysleli ste sa niekedy nad tým, prečo to tak je a či sa zariadenia môžu neustále zlepšovať?

Odpoveď na prvú otázku vysvetľujú tri zákony objavené výskumníkmi, známe ako Moorov zákon, Dennardovo škálovanie a Koomeyov zákon. Čítajte ďalej, aby ste pochopili vplyv týchto zákonov na výpočtovú techniku ​​a na to, kam by nás mohli v budúcnosti viesť.

Čo je Moorov zákon?

Ak ste pravidelným čitateľom MakeUseOf, určite poznáte mýtický Moorov zákon.

Výkonný riaditeľ a spoluzakladateľ spoločnosti Intel Gordon Moore ju prvýkrát predstavil v roku 1965.

Predpovedal, že počet tranzistorov na čipe sa zdvojnásobí približne každé dva roky a ročne bude lacnejší o 20 až 30 percent. Prvý procesor spoločnosti Intel bol uvedený na trh v roku 1971 s 2 250 tranzistormi a plochou 12 mm². Dnešné procesory obsahujú stovky miliónov tranzistorov na milimeter štvorcový.

Aj keď to začalo ako predpoveď, priemysel tiež prijal Moorov zákon ako plán. Počas piatich desaťročí predvídateľnosť práva umožňovala spoločnostiam formulovať dlhodobé stratégie s vedomím, že aj keď by ich návrhy neboli možné vo fáze plánovania, Moorov zákon dodá tovar v primeranom čase okamih.

Toto malo príťažlivý efekt v mnohých oblastiach, od neustále sa zlepšujúcej grafiky hier až po rastúci počet megapixelov v digitálnych fotoaparátoch.

Zákon má však trvanlivosť a rýchlosť pokroku sa spomaľuje. Aj keď výrobcovia čipov pokračujú nájsť nové spôsoby, ako obísť hranice kremíkových čipov, Moore sám verí, že to do konca tohto desaťročia už nebude fungovať. Nebude to však prvý technologický zákon, ktorý zmizne.

Keď sa skončí Moorov zákon: 3 alternatívy k silikónovým čipom

Moorov zákon diktoval tempo technologického rozvoja po celé desaťročia. Čo sa však stane, keď sa dosiahnu jeho fyzické limity?

Čo sa stalo s Dennardom?

V roku 1974 výskumník spoločnosti IBM Robert Dennard poznamenal, že pri zmenšovaní tranzistorov zostáva ich použitie energie úmerné ich oblasti.

Dennardovo škálovanie, ako sa stalo známe, znamenalo, že oblasť tranzistora sa každých 18 mesiacov zmenšovala o 50 percent, čo viedlo k zvýšeniu rýchlosti taktu o 40 percent, ale pri rovnakej úrovni spotreby energie.

Inými slovami, počet výpočtov na watt by rástol exponenciálnou, ale spoľahlivou rýchlosťou a tranzistory by boli rýchlejšie, lacnejšie a spotrebovali menej energie.

V dobe škálovania spoločnosti Dennard bolo zlepšovanie výkonu predvídateľným procesom pre výrobcov čipov. Iba pridali viac tranzistorov k procesorom a zvýšili frekvencie hodín.

Toto bolo tiež ľahko pochopiteľné pre spotrebiteľa: procesor pracujúci na frekvencii 3,0 GHz bol rýchlejší ako procesor pracujúci na frekvencii 2,0 GHz a procesory sa neustále zrýchľovali. Medzinárodný technologický plán pre polovodiče (ITRS) skutočne predpovedal, že frekvencie hodín dosiahnu 12 GHz do roku 2013!

Najlepšie procesory na trhu dnes majú základnú frekvenciu iba 4,1 GHz. Čo sa stalo?

Koniec škálovania Dennard

Hodinové rýchlosti uviazli v bahne okolo roku 2004, keď pokles spotreby energie prestal držať krok s rýchlosťou zmenšovania tranzistorov.

Tranzistory boli príliš malé a elektrický prúd začal unikať, čo spôsobilo prehriatie a vysoké teploty, čo viedlo k chybám a poškodeniu zariadenia. To je jeden z dôvodov prečo má počítačový čip chladič. Dennard Scaling dosiahol limity diktované fyzikálnymi zákonmi.

Viac jadier, viac problémov

Pretože zákazníci a celé odvetvia boli zvyknutí na neustále zvyšovanie rýchlosti, potrebovali výrobcovia čipov riešenie. Začali teda do procesorov pridávať jadrá ako spôsob neustáleho zvyšovania výkonu.

Viaceré jadrá však nie sú také účinné ako jednoduché zvýšenie rýchlosti hodín na jednojadrových jednotkách. Väčšina softvéru nemôže využívať výhody viacnásobného spracovania. Uloženie pamäte do pamäte a spotreba energie sú ďalšími problémovými miestami.

Prechod na viacjadrové čipy tiež predznamenal príchod tmavého kremíka.

Temný vek kremíka

Čoskoro vyšlo najavo, že ak sa použije príliš veľa jadier súčasne, môže dôjsť k úniku elektrického prúdu, čo by vzbudilo problém s prehriatím, ktorý zabil Dennardovo škálovanie na jednojadrových čipoch.

Výsledkom sú viacjadrové procesory, ktoré nemôžu používať všetky svoje jadrá naraz. Čím viac jadier pridáte, tým viac tranzistorov čipu sa musí vypnúť alebo spomaliť v procese známom ako „tmavý kremík“.

Takže aj keď Moorov zákon naďalej umožňuje, aby sa na čip zmestilo viac tranzistorov, tmavý kremík požiera realitu CPU. Preto je pridávanie ďalších jadier zbytočné, pretože nemôžete použiť všetky súčasne.

Udržiavanie Moorovho zákona pomocou viacerých jadier sa javí ako slepá ulička.

Ako Moorov zákon mohol pokračovať

Jedným z riešení je zlepšenie multiprocesingu softvéru. Java, C ++ a ďalšie jazyky určené pre jednotlivé jadrá ustúpia tým, ako je Go, ktoré fungujú lepšie súčasne.

Ďalšou možnosťou je zvýšenie používania poľom programovateľných hradlových polí (FPGA), čo je typ prispôsobiteľného procesora, ktorý je možné po zakúpení prekonfigurovať na konkrétne úlohy. Zákazník môže napríklad optimalizovať jedno FPGA na prácu s videom alebo môže byť špeciálne upravené na prevádzku aplikácií umelej inteligencie.

Budovanie tranzistorov z rôznych materiálov, napríklad z grafénu, je ďalšou oblasťou, ktorá sa vyšetruje, aby z Moorovej predpovede vytlačilo viac života. A ďalej, kvantové výpočty môžu hru úplne zmeniť.

Budúcnosť patrí ku Koomeyovmu zákonu

V roku 2011 profesor Jonathan Koomey ukázal, že špičková energetická účinnosť (efektivita procesora pracujúceho pri vysokej rýchlosti) odrážala trajektóriu výkonového procesu opísanú Moorovým zákonom.

Koomeyho zákon poznamenal, že od zvierat s vákuovou trubicou v 40. rokoch po notebooky v 90. rokoch sa výpočty na joule energie spoľahlivo zdvojnásobili každých 1,57 roka. Inými slovami, batéria použitá pri určitej úlohe sa každých 19 mesiacov znížila na polovicu, čo viedlo k tomu, že energia potrebná na konkrétny výpočet klesla každých desať rokov o faktor 100.

Zatiaľ čo Moorov zákon a škálovanie Dennarda boli vo svete desktopov a notebookov nesmierne dôležité, spôsob, akým používame procesory sa zmenili natoľko, že energetická účinnosť sľubovaná Koomeyho zákonom je pravdepodobne relevantnejšia pre ty.

Váš výpočtový život je pravdepodobne rozdelený medzi mnoho zariadení: notebooky, mobily, tablety a rôzne pomôcky. V tejto ére rozširovať výpočtovú techniku, životnosť batérie a výkon na watt sú čoraz dôležitejšie ako vytláčanie viac GHz z našich procesorov s mnohými jadrami.

Rovnako, s väčšou časťou nášho spracovania zvereného do dátových centier masívnych cloudových výpočtov, majú technologické giganty veľký význam pre Koomeyho zákon dôsledky nákladov na energiu.

Od roku 2000 sa však zdvojnásobenie energetickej účinnosti v celom priemysle opísané v Koomeyho zákone spomalilo v dôsledku ukončenia Dennardovho škálovania a spomalenia Moorovho zákona. Koomeyho zákon teraz poskytuje každé 2,6 roka a v priebehu desaťročia sa energetická účinnosť zvýši iba o 16, a nie o 100.

Môže byť predčasné tvrdiť, že Koomeyho zákon už sleduje Dennarda a Moora do západu slnka. V roku 2020 spoločnosť AMD uviedla, že energetická účinnosť jej procesora AMD Ryzen 7 4800H sa zvýšila o faktor 31.7 v porovnaní s procesormi z roku 2014, čo dáva spoločnosti Koomey's Law včasnú a podstatnú podporu.

Súvisiace: Nový čip M1 od spoločnosti Apple je herný menič: Všetko, čo potrebujete vedieť

Predefinovanie efektívnosti s cieľom rozšíriť Koomeyho zákon

Účinnosť špičkového výstupného výkonu je iba jedným zo spôsobov hodnotenia výpočtovej efektívnosti a ten, ktorý môže byť teraz zastaraný.

Táto metrika mala väčší zmysel v minulých desaťročiach, keď boli počítače vzácne, nákladné zdroje, ktoré používatelia a aplikácie zvykli tlačiť na svoje hranice.

Väčšina procesorov teraz beží na špičkovom výkone len malú časť svojho života, napríklad pri hraní videohier. Ostatné úlohy, ako napríklad kontrola správ alebo prehliadanie webu, si vyžadujú oveľa menšiu spotrebu energie. Priemerná energetická účinnosť sa ako taká stáva stredobodom pozornosti.

Koomey vypočítal túto „efektivitu typického použitia“ vydelením počtu operácií ročne celková použitá energia a tvrdí, že by mala nahradiť normu „špičkovej účinnosti“ použitú v jeho origináli formulácia.

Aj keď analýza ešte len bude zverejnená, očakáva sa, že v rokoch 2008 až 2020 bude mať efektivita typického použitia sa zhruba každých 1,5 roka zdvojnásobil, čím sa Koomeyho zákon vrátil na optimálnu mieru, ktorá sa zistila, keď bol uplatnený Mooreov zákon hlavný.

Jedným z dôsledkov Koomeyovho zákona je, že zariadenia sa budú aj naďalej zmenšovať a budú menej náročné na energiu. Zmenšovacie - ale stále vysokorýchlostné procesory môžu byť čoskoro natoľko nízkoenergetické, že budú schopné kresliť ich energiu priamo z prostredia, ako je teplo pozadia, svetlo, pohyb a iné zdroje.

Takéto všadeprítomné zariadenia na spracovanie majú potenciál uviesť skutočný vek internetu vecí (IoT) a spôsobiť, že váš smartphone bude vyzerať rovnako staromódne ako vákuoví monštrá zo 40. rokov.

Keď však vedci a inžinieri objavujú a implementujú čoraz viac nových techník na optimalizáciu „efektivity typického použitia“, táto časť celkovej spotreby energie počítača pravdepodobne poklesne natoľko, že na úrovniach typického použitia bude iba špičkový výstup dostatočne významný na to, aby merať.

Využitie špičkového výkonu sa opäť stane meradlom pre analýzu energetickej účinnosti. V tomto scenári sa Koomeyho zákon nakoniec stretne s rovnakými fyzikálnymi zákonmi, ktoré spomaľujú Moorov zákon.

Tieto zákony fyziky, ktoré zahŕňajú druhý zákon termodynamiky, znamenajú, že Koomeyho zákon sa skončí okolo roku 2048.

Kvantové výpočty všetko zmenia

Dobrou správou je, že dovtedy by mal byť kvantový výpočtový systém dobre vyvinutý a jeho tranzistory by mali byť založené na jednotlivých atómoch samozrejmosťou a nová generácia výskumných pracovníkov bude musieť objaviť celý rad ďalších zákonov, aby mohla predpovedať budúcnosť výpočtový.

AMD vs. Intel: Aký je najlepší herný procesor?

Ak staviate herné PC a bojujete medzi procesormi AMD a Intel, je načase zistiť, ktorý procesor je pre vaše herné zariadenie najlepší.

O autorovi