Gyorsabb, vékonyabb, olcsóbb: Koomey törvénye az új Moore-törvény?

A laptopok, mobilok és táblagépek minden évben olcsóbbak, letisztultabbak és erősebbek lesznek, miközben az akkumulátor élettartama egyre hosszabb. Gondolkodott már azon, miért van ez, és ha az eszközök örökre tovább javulhatnak?

Az első kérdésre adott választ három kutató által felfedezett törvény magyarázza, amelyek Moore-törvény, Dennard-méretezés és Koomey-törvények néven ismertek. Olvassa el, hogy megértse ezeknek a törvényeknek a számítástechnikára gyakorolt ​​hatását és azt, hogy hova vezethetnek minket a jövőben.

Mi Moore törvénye?

Ha Ön rendszeres MakeUseOf olvasó, akkor valószínűleg tisztában van a mitikus Moore-törvényvel.

Az Intel vezérigazgatója és társalapítója, Gordon Moore először 1965-ben mutatta be.

Előrejelzése szerint egy chipen lévő tranzisztorok száma körülbelül kétévente megduplázódik, és évente 20-30 százalékkal olcsóbbá válik. Az Intel első processzora 1971-ben jelent meg, 2250 tranzisztorral és 12 mm-es területtel². A mai CPU-k százmillió tranzisztort tartalmaznak négyzetméterenként.

Míg jóslatnak indult, az ipar Moore törvényét is útitervként fogadta el. Öt évtizede a törvény kiszámíthatósága lehetővé tette a vállalatok számára, hogy hosszú távú stratégiákat dolgozzanak ki, tudván, hogy még akkor is, ha terveik a tervezési szakaszban lehetetlenek lennének, Moore törvénye a megfelelő árut szállítja pillanat.

Ennek sok területen volt hatása, a játékok folyamatosan javuló grafikájától kezdve a digitális fényképezőgépek megapixelének számának növekedéséig.

A törvénynek azonban eltarthatósága van, és a fejlődés üteme lassul. Bár a chipgyártók továbbra is új utakat találni a szilícium chipek határainMaga Moore úgy véli, hogy ez az évtized végére már nem fog működni. De ez nem lesz a technológia első törvénye, amely eltűnik.

Amikor Moore törvénye véget ér: 3 alternatíva a szilícium chips-hez

Moore törvénye évtizedek óta meghatározza a technológiai fejlődés ütemét. De mi történik, ha elérik fizikai határait?

Mi történt valaha Dennard méretezésével?

1974-ben az IBM kutatója, Robert Dennard megfigyelte, hogy a tranzisztorok zsugorodásával az energiafelhasználás arányos marad a területükkel.

A Dennard-méretezés, amint ismertté vált, azt jelentette, hogy a tranzisztor területe 18 havonta 50 százalékkal csökkent, ami 40 százalékos órajel-növekedést eredményezett, de ugyanolyan energiafogyasztással.

Más szavakkal, a wattonkénti számítások száma exponenciális, de megbízható sebességgel növekedne, és a tranzisztorok gyorsabbak, olcsóbbak és kevesebb energiát használnának fel.

A Dennard méretezés korában a teljesítmény javítása kiszámítható folyamat volt a chipgyártók számára. Csak újabb tranzisztort adtak a CPU-khoz, és felemelték az órajel frekvenciáit.

Ezt a fogyasztó számára is könnyű volt megérteni: a 3,0 GHz-es processzor gyorsabb volt, mint a 2,0 GHz-es, és a processzorok egyre gyorsabbak lettek. Valóban, a félvezetőkre vonatkozó nemzetközi technológiai ütemterv (ITRS), amint az előrejelzés szerint az órajelek el fognak érni 12GHz 2013-ra!

Ma mégis a piac legjobb processzorainak alapfrekvenciája mindössze 4,1 GHz. Mi történt?

A Dennard-méretezés vége

Az óra sebessége 2004 körül megrekedt a sárban, amikor az energiafelhasználás csökkenése megállt a tranzisztorok zsugorodási sebességével.

A tranzisztorok túl kicsik lettek, és az elektromos áram elkezdett kiszivárogni, ami túlmelegedést és magas hőmérsékletet okozott, ami hibákhoz és a berendezések károsodásához vezetett. Ez az egyik oka miért van a számítógép chipjében hűtőborda. Dennard Scaling elérte a fizikai törvények által diktált határokat.

Több mag, több probléma

Mivel az ügyfelek és az egész iparág hozzászokott a sebesség folyamatos fejlesztéséhez, a chipgyártóknak megoldásra volt szükségük. Tehát elkezdtek magokat hozzáadni a processzorokhoz, hogy folyamatosan növeljék a teljesítményt.

A több mag azonban nem annyira hatékony, mint egyszerűen növelni az egysebű egységek órajelét. A legtöbb szoftver nem tudja kihasználni a többprocesszió előnyeit. A memória gyorsítótár és az energiafogyasztás további szűk keresztmetszetek.

A többmagos chipekre való áttérés szintén a sötét szilícium érkezését jelentette.

A szilícium sötét korszaka

Hamar nyilvánvalóvá vált, hogy ha túl sok magot használnak egyidejűleg, akkor az elektromos áram szivároghat, felélesztve a túlmelegedési problémát, amely megölte Dennard méretarányát az egymagos chipeken.

Ennek eredményeként többmagos processzorok jönnek létre, amelyek nem tudják egyszerre használni az összes magot. Minél több magot ad hozzá, annál több chip tranzisztorát kell kikapcsolni vagy lelassítani, a "sötét szilícium" néven ismert folyamatban.

Tehát, bár Moore törvénye továbbra is több tranzisztort enged egy chipre, a sötét szilícium megemészti a CPU ingatlanjait. Ezért további magok hozzáadása értelmetlenné válik, mivel nem tudja mindet egyszerre használni.

Moore törvényének fenntartása több mag használatával zsákutcának tűnik.

Hogyan folytatódhat Moore törvénye

Az egyik megoldás a szoftveres többprocesszoros fejlesztés. A Java, C ++ és más, az egymag számára tervezett nyelvek utat engednek az olyanoknak, mint a Go, amelyek jobban képesek egyidejűleg futtatni.

Egy másik lehetőség a terepi programozható kaputömbök (FPGA) használatának növelése, egy olyan testreszabható processzor, amely a vásárlás után átkonfigurálható bizonyos feladatokhoz. Például egy FPGA-t az ügyfél optimalizálhat a videó kezelésére, vagy speciálisan a mesterséges intelligencia alkalmazások futtatására alkalmas.

A különféle anyagokból, például grafénből készült tranzisztorok építése egy másik terület, amelyet Moore jóslatából több élet kipréselésére használnak. És a vonal mentén a kvantumszámítás teljesen megváltoztathatja a játékot.

A jövő Koomey törvényéhez tartozik

2011-ben Jonathan Koomey professzor kimutatta, hogy a csúcsteljesítményű energiahatékonyság (a maximális sebességgel működő processzor hatékonysága) visszhangozza a Moore-törvény által leírt feldolgozási teljesítmény pályáját.

Koomey törvénye megállapította, hogy az 1940-es évek vákuumcsöves állattól az 1990-es évek laptopjaig az energia joule-ra eső számítások megbízhatóan megduplázódtak 1,57 évente. Más szavakkal, egy bizonyos feladat által felhasznált akkumulátor 19 havonta feleződött, így egy adott számításhoz szükséges energia évtizedenként 100-szorosára csökkent.

Míg Moore törvénye és Dennard-méretezése rendkívül fontosak voltak az asztali és laptopok világában, a mi a processzorok annyira megváltoztak, hogy a Koomey-törvény által ígért energiahatékonyság valószínűleg relevánsabb számára Ön.

Számítási élete valószínűleg sok eszköz között oszlik meg: laptopok, mobilok, táblagépek és egyéb modulok között. Ebben a korszakban szaporodnak a számítástechnika, az akkumulátor élettartama és a wattonkénti teljesítmény egyre fontosabb, mint hogy több magos processzorunkból több GHz-et préseljünk ki.

Hasonlóképpen, mivel feldolgozásunk nagyobb részét kiszervezik hatalmas felhőalapú számítási adatközpontokba, a Koomey-törvény energiaköltség-vonatkozásai nagy érdeklődést mutatnak a technológiai óriások számára.

2000 óta azonban az energiahatékonyság iparági szintű megkétszereződése, amelyet a Koomey-törvény ír le, a Dennard-méretezés megszűnése és Moore-törvény lassulása miatt lelassult. Koomey törvénye immár 2,6 évente teljesít, és egy évtized alatt az energiahatékonyság 100 helyett csak 16-szorosára nő.

Korai lehet azt mondani, hogy Koomey törvénye már Dennard és Moore törvényeit követi a naplementébe. 2020-ban az AMD beszámolt arról, hogy az AMD Ryzen 7 4800H processzor energiahatékonysága 10-szeresére nőtt 31.7 a 2014-es CPU-khoz képest, ez időben és jelentős lendületet adott Koomey törvényének.

Összefüggő: Az Apple új M1 chipje játékváltó: Minden, amit tudnia kell

A hatékonyság újradefiniálása a Koomey-törvény kiterjesztése érdekében

A csúcsteljesítmény-hatékonyság csak egy módja a számítástechnikai hatékonyság értékelésének, és ez ma már elavult lehet.

Ennek a mutatónak volt értelme az elmúlt évtizedekben, amikor a számítógépek szűkösek voltak, költséges erőforrások, amelyeket a felhasználók és az alkalmazások általában a határukig szorítottak.

Most a legtöbb processzor élete csak egy kis részén fut csúcsteljesítményen, például egy videojáték futtatásakor. Más feladatok, például az üzenetek ellenőrzése vagy az internet böngészése, sokkal kevesebb energiát igényelnek. Mint ilyen, az átlagos energiahatékonyság válik a középpontba.

Koomey kiszámította ezt a „tipikus felhasználási hatékonyságot” azáltal, hogy elosztja az éves műveletek számát a felhasznált összes energia, és azt állítja, hogy annak helyettesítenie kell az eredetiben alkalmazott „csúcsfelhasználási hatékonyság” szabványt megfogalmazás.

Noha az elemzést még közzé kell tenni, 2008 és 2020 között várhatóan a tipikus felhasználás hatékonysága lesz kb. 1,5 évente megduplázódott, visszatérve Koomey törvénye az optimális mértékhez, amikor Moore törvénye volt elsődleges.

A Koomey-törvény egyik következménye, hogy az eszközök mérete továbbra is csökken, és kevésbé energiaigényesek lesznek. A zsugorodó - de még mindig nagy sebességű - processzorok hamarosan annyira alacsony fogyasztásúak lehetnek, hogy képesek lesznek rajzolni energiájuk közvetlenül a környezetből származik, például háttérhő, fény, mozgás és egyéb források.

Az ilyen mindenütt jelen lévő feldolgozó eszközök képesek bevezetni a tárgyak internete (IoT) valódi korát, és okostelefonjukat ugyanúgy elavulttá varázsolni, mint az 1940-es évek vákuumcsöves behemótjai.

Mivel azonban a tudósok és mérnökök egyre több új technikát fedeznek fel és alkalmaznak a „tipikus felhasználási hatékonyság” optimalizálására, ez a rész a számítógép teljes energiafelhasználása valószínűleg annyira csökken, hogy a tipikus használat szintjén csak a csúcsteljesítmény lesz elég jelentős ahhoz, hogy intézkedés.

A csúcsteljesítmény-felhasználás ismét az energiahatékonyság elemzésének mércéje lesz. Ebben a forgatókönyvben Koomey törvénye végül ugyanazokkal a fizikai törvényekkel fog találkozni, amelyek lassítják Moore törvényét.

A fizika törvényei, amelyek magukban foglalják a termodinamika második törvényét, azt jelentik, hogy Koomey törvénye 2048 körül megszűnik.

A kvantumszámítás mindent megváltoztat

Jó hír, hogy addigra a kvantumszámításnak megfelelően fejlettnek kell lennie, az egyes atomokon alapuló tranzisztorokkal A kutatók új generációjának egy egészen más törvénykészletet kell felfedeznie a jövõ megjóslásához számítástechnika.

AMD vs. Intel: Mi a legjobb játékprocesszor?

Ha játék PC-t épít, és szakad az AMD és az Intel CPU-k között, itt az ideje, hogy megtanulja, melyik processzor a legalkalmasabb a játékeszközéhez.

A szerzőről