Rychlejší, tenčí, levnější: Je Koomeyův zákon zákonem New Moore?

Notebooky, mobily a tablety jsou každý rok levnější, elegantnější a výkonnější, zatímco výdrž baterie se prodlužuje. Přemýšleli jste někdy o tom, proč tomu tak je a jestli se zařízení mohou stále zlepšovat navždy?

Odpověď na první otázku vysvětlují tři zákony objevené vědci, známé jako Mooreův zákon, Dennardův škálování a Koomeyův zákon. Čtěte dále, abyste pochopili dopad těchto zákonů na výpočetní techniku ​​a na to, kam by nás mohly v budoucnu vést.

Co je Mooreův zákon?

Pokud jste pravidelným čtenářem MakeUseOf, možná víte o mýtickém Moorově zákoně.

CEO a spoluzakladatel společnosti Intel Gordon Moore ji poprvé představil v roce 1965.

Předpovídal, že počet tranzistorů na čipu se zdvojnásobí přibližně každé dva roky a každoročně bude levnější o 20 až 30 procent. První procesor Intel byl vydán v roce 1971 s 2250 tranzistory a plochou 12 mm². Dnešní CPU obsahují stovky milionů tranzistorů na milimetr čtvereční.

I když to začalo jako předpověď, průmysl také přijal Mooreův zákon jako cestovní mapu. Po pět desetiletí umožňovala předvídatelnost zákonů společnostem formulovat dlouhodobé strategie s vědomím, že i kdyby jejich návrhy ve fázi plánování nebyly možné, Mooreův zákon by zboží dodal v přiměřenou dobu moment.

To mělo rozhodující účinek v mnoha oblastech, od neustále se zlepšující grafiky her až po vzrůstající počet megapixelů v digitálních fotoaparátech.

Zákon má však trvanlivost a rychlost pokroku se zpomaluje. Ačkoli výrobci čipů pokračují najít nové cesty kolem hranic křemíkových čipů, Moore sám věří, že to již nebude fungovat do konce tohoto desetiletí. Nebude to však první technologický zákon, který zmizí.

Když Mooreův zákon skončí: 3 alternativy k křemíkovým čipům

Mooreův zákon diktoval tempo technologického rozvoje po celá desetiletí. Co se ale stane, když jsou dosaženy jeho fyzické limity?

Co se stalo s Dennardem?

V roce 1974 badatel IBM Robert Dennard poznamenal, že se zmenšováním tranzistorů zůstává jejich spotřeba energie úměrná jejich oblasti.

Jak bylo známo, Dennardovo škálování znamenalo, že plocha tranzistoru byla každých 18 měsíců zmenšena o 50 procent, což vedlo ke zvýšení rychlosti hodin o 40 procent, ale se stejnou úrovní spotřeby energie.

Jinými slovy, počet výpočtů na watt by rostl exponenciální, ale spolehlivou rychlostí a tranzistory by byly rychlejší, levnější a spotřebovaly méně energie.

Ve věku Dennardova škálování bývalo zlepšování výkonu předvídatelným procesem pro výrobce čipů. Právě přidali více tranzistorů do CPU a zvýšili frekvence hodin.

To spotřebitel také snadno pochopil: procesor běžící na 3,0 GHz byl rychlejší než procesor běžící na 2,0 GHz a procesory se stále zrychlovaly. Mezinárodní technologický plán pro polovodiče (ITRS) skutečně jednou předpověděl, že frekvence hodin dosáhnou 12 GHz do roku 2013!

Nejlepší procesory na trhu dnes mají základní frekvenci pouhých 4,1 GHz. Co se stalo?

The End of Dennard Scaling

Hodinové rychlosti uvízly v bahně kolem roku 2004, kdy snížení spotřeby energie přestalo držet krok s rychlostí zmenšování tranzistorů.

Tranzistory byly příliš malé a elektrický proud začal unikat, což způsobilo přehřátí a vysoké teploty, což vedlo k chybám a poškození zařízení. To je jeden z důvodů proč má váš počítačový čip chladič. Dennard Scaling dosáhl hranic diktovaných zákony fyziky.

Více jader, více problémů

Vzhledem k tomu, že zákazníci a celá průmyslová odvětví jsou zvyklí na neustálé zlepšování rychlosti, potřebovali výrobci čipů řešení. Začali tedy do procesorů přidávat jádra jako způsob, jak neustále zvyšovat výkon.

Vícenásobná jádra však nejsou tak účinná jako pouhé zvýšení rychlosti hodin u jednojádrových jednotek. Většina softwaru nemůže využívat výhody multiprocesingu. Mezipaměť paměti a spotřeba energie jsou další úzká místa.

Přechod na vícejádrové čipy také ohlašoval příchod tmavého křemíku.

The Dark Age of Silicon

Brzy vyšlo najevo, že pokud se použije příliš mnoho jader současně, může dojít k úniku elektrického proudu, což vzkřísí problém s přehřátím, který zabil Dennardovo škálování na jednojádrových čipech.

Výsledkem jsou vícejádrové procesory, které nemohou používat všechna svá jádra najednou. Čím více jader přidáte, tím více tranzistorů čipu musí být vypnuto nebo zpomaleno v procesu známém jako „tmavý křemík“.

Ačkoli tedy Mooreův zákon nadále umožňuje, aby se na čip dostalo více tranzistorů, temný křemík se živí nemovitostmi CPU. Přidávání dalších jader se proto stává zbytečným, protože nemůžete použít všechna najednou.

Udržování Moorova zákona pomocí více jader se zdá být slepou uličkou.

Jak Moorův zákon mohl pokračovat

Jedním z řešení je zlepšení softwarového multiprocesingu. Java, C ++ a další jazyky určené pro jednotlivá jádra ustoupí těm, jako je Go, které lépe fungují souběžně.

Další možností je zvýšení využití polních programovatelných hradlových polí (FPGA), což je typ přizpůsobitelného procesoru, který lze po zakoupení překonfigurovat pro konkrétní úkoly. Například jeden FPGA by mohl zákazník optimalizovat pro zpracování videa, nebo by mohl být speciálně upraven pro běh aplikací umělé inteligence.

Budování tranzistorů z různých materiálů, jako je grafen, je další zkoumanou oblastí, která vytlačuje více života z Mooreovy předpovědi. A cestou dolů, kvantové výpočty mohou hru úplně změnit.

Budoucnost patří Koomeyovu zákonu

V roce 2011 profesor Jonathan Koomey ukázal, že špičková energetická účinnost (účinnost procesoru běžícího při nejvyšší rychlosti) odrážela trajektorii procesního výkonu popsanou Mooreovým zákonem.

Koomeyův zákon poznamenal, že od bestií se vakuovými trubicemi ve čtyřicátých letech až po notebooky v devadesátých letech se výpočty za joule energie spolehlivě zdvojnásobily každých 1,57 roku. Jinými slovy, baterie používaná při určitém úkolu se každých 19 měsíců snížila na polovinu, což vedlo k tomu, že energie potřebná pro konkrétní výpočet klesla každých deset let o faktor 100.

Zatímco Mooreův zákon a Dennardova škálování byly ve světě stolních počítačů a notebooků nesmírně důležité, způsob, jakým používáme procesory se změnilo natolik, že energetická účinnost slibovaná Koomeyho zákonem je pravděpodobně důležitější vy.

Váš výpočetní život je pravděpodobně rozdělen mezi mnoho zařízení: notebooky, mobilní telefony, tablety a různé gadgety. V této době šíří výpočetní techniku, životnost baterie a výkon na watt jsou stále důležitější než vytlačování více GHz z našich procesorů s mnoha jádry.

Podobně s tím, jak se více našeho zpracování zadává do masivních cloudových výpočetních datových center, mají technologické giganty velký dopad na náklady na energii podle Koomeyova zákona.

Od roku 2000 se však zdvojnásobení energetické účinnosti v celém odvětví popsané Koomeyho zákonem zpomalilo v důsledku ukončení Dennardova škálování a zpomalení Mooreova zákona. Koomeyho zákon nyní přináší každých 2,6 roku a během deseti let se energetická účinnost zvýší pouze o 16, nikoli o 100.

Může být předčasné říkat, že Koomeyův zákon již sleduje Dennarda a Moora do západu slunce. V roce 2020 společnost AMD uvedla, že energetická účinnost jejího procesoru AMD Ryzen 7 4800H vzrostla o faktor 31.7 ve srovnání s procesory z roku 2014, což dává společnosti Koomey's Law včasnou a podstatnou podporu.

Příbuzný: Nový čip M1 společnosti Apple je herní měnič: Vše, co potřebujete vědět

Předefinování účinnosti s cílem rozšířit Koomeyho zákon

Účinnost špičkového výstupního výkonu je pouze jedním ze způsobů hodnocení výpočetní účinnosti a ten, který nyní může být zastaralý.

Tato metrika dávala větší smysl v minulých desetiletích, kdy byly počítače vzácné, nákladné zdroje, které uživatelé a aplikace mívali na hranici svých možností.

Nyní většina procesorů běží na špičkovém výkonu jen malou část svého života, například při hraní videoher. Další úkoly, jako je kontrola zpráv nebo procházení webu, vyžadují mnohem méně energie. Průměrná energetická účinnost se tak stává středem zájmu.

Koomey vypočítal tuto „efektivitu typického použití“ vydělením počtu operací provedených za rok celková použitá energie a tvrdí, že by měla nahradit normu „špičkové účinnosti“ použitou v jeho originálu formulace.

Přestože je ještě třeba zveřejnit analýzu, očekává se, že v letech 2008 až 2020 bude mít účinnost typického využití každých 1,5 roku se zdvojnásobil, což vrátilo Koomeyův zákon na optimální míru, která byla vidět, když byl Mooreův zákon v platnosti primární.

Jedním z důsledků zákona Koomey je, že zařízení se budou i nadále zmenšovat a budou méně energeticky náročná. Zmenšující se - ale stále vysokorychlostní - procesory mohou být brzy tak slabé, že budou schopné čerpat jejich energie přímo z prostředí, jako je teplo pozadí, světlo, pohyb a další Zdroje.

Taková všudypřítomná zpracovatelská zařízení mají potenciál uvést skutečný věk internetu věcí (IoT) a váš smartphone bude vypadat stejně zastaralý jako vakuem potažené monstra ze 40. let.

Jak však vědci a inženýři objevují a implementují stále více a více nových technik k optimalizaci „efektivity typického použití“, tato část celkové spotřeby energie počítače pravděpodobně poklesne natolik, že na úrovních typického použití bude pouze špičkový výstup dostatečně významný, aby opatření.

Využití špičkového výkonu se opět stane měřítkem pro analýzu energetické účinnosti. V tomto scénáři se Koomeyho zákon nakonec setká se stejnými fyzikálními zákony, které zpomalují Mooreův zákon.

Tyto zákony fyziky, které zahrnují druhý zákon termodynamiky, znamenají, že Koomeyho zákon skončí kolem roku 2048.

Kvantové výpočty všechno změní

Dobrou zprávou je, že do té doby by měl být kvantový výpočet dobře vyvinut s tranzistory založenými na jednotlivých atomech běžná věc a nová generace výzkumných pracovníků bude muset objevit celou řadu dalších zákonů, aby mohla předpovědět budoucnost výpočetní.

AMD vs. Intel: Jaký je nejlepší herní procesor?

Pokud stavíte herní počítač a jste zmatení mezi procesory AMD a Intel, je na čase zjistit, který procesor je pro vaši herní sestavu nejlepší.

O autorovi