Быстрее, тоньше, дешевле: закон Куми – новый закон Мура?
Ноутбуки, мобильные телефоны и планшеты с каждым годом становятся дешевле, изящнее и мощнее, а время автономной работы увеличивается. Вы когда-нибудь задумывались, почему это так и могут ли устройства постоянно улучшаться?
Ответ на первый вопрос объясняется открытыми исследователями тремя законами, известными как закон Мура, масштабирование Деннарда и закон Куми. Читайте дальше, чтобы понять влияние этих законов на вычисления и то, к чему они могут привести нас в будущем.
Что такое закон Мура?
Если вы регулярно читаете , возможно, вы знаете мифический закон Мура.
Генеральный директор и соучредитель Intel Гордон Мур впервые представил его в 1965 году.
Он предсказал, что количество транзисторов на кристалле будет удваиваться примерно каждые два года и станет на 20–30 процентов дешевле в год. Первый процессор Intel был выпущен в 1971 году с 2250 транзисторами и площадью 12 мм 2 . Сегодняшние процессоры содержат сотни миллионов транзисторов на квадратный миллиметр.
Хотя это начиналось как прогноз, отрасль также приняла закон Мура в качестве дорожной карты. В течение пяти десятилетий предсказуемость закона позволяла компаниям формулировать долгосрочные стратегии, зная, что, даже если их проекты были невозможны на этапе планирования, закон Мура доставит товары в подходящий момент.
Это имело эффект во многих областях, от постоянно улучшающейся графики в играх до растущего числа мегапикселей в цифровых камерах.
Однако у закона есть срок годности, и скорость его выполнения замедляется. Хотя производители микросхем продолжают находить новые способы обойти ограничения кремниевых чипов , сам Мур считает, что к концу этого десятилетия они перестанут работать. Но это не первый закон технологии, который исчезнет.
Что случилось с масштабированием Деннарда?
В 1974 году исследователь IBM Роберт Деннард заметил, что по мере уменьшения размеров транзисторов их потребление энергии остается пропорциональным их площади.
Масштабирование Деннарда, как стало известно, означало, что площадь транзистора уменьшалась на 50 процентов каждые 18 месяцев, что приводило к увеличению тактовой частоты на 40 процентов, но при том же уровне энергопотребления.
Другими словами, количество вычислений на ватт будет расти экспоненциально, но надежно, а транзисторы станут быстрее, дешевле и потребляют меньше энергии.
В эпоху масштабирования Деннарда повышение производительности было предсказуемым процессом для производителей микросхем. Они просто добавили больше транзисторов к процессорам и увеличили тактовые частоты.
Потребителю также было легко понять: процессор с тактовой частотой 3,0 ГГц был быстрее, чем процессор с тактовой частотой 2,0 ГГц, а процессоры продолжали работать быстрее. Действительно, в Международной дорожной карте технологий для полупроводников (ITRS) когда-то прогнозировалось, что к 2013 году тактовая частота достигнет 12 ГГц !
Тем не менее, сегодня лучшие процессоры на рынке имеют базовую частоту всего 4,1 ГГц. Что случилось?
Конец масштабирования Деннарда
Тактовые частоты застряли в грязи примерно в 2004 году, когда снижение энергопотребления перестало идти в ногу со скоростью сжатия транзисторов.
Транзисторы стали слишком маленькими, и электрический ток начал протекать, вызывая перегрев и высокие температуры, что приводило к ошибкам и повреждению оборудования. Это одна из причин, по которой ваш компьютерный чип имеет радиатор . Деннард Скейлинг достиг пределов, диктуемых законами физики.
Больше ядер, больше проблем
Поскольку заказчики и целые отрасли привыкли к постоянному повышению скорости, производителям микросхем требовалось решение. Поэтому они начали добавлять ядра к процессорам, чтобы постоянно повышать производительность.
Однако использование нескольких ядер не так эффективно, как простое повышение тактовой частоты одноядерных устройств. Большинство программ не могут использовать преимущества многопроцессорности. Кэширование памяти и потребление энергии – дополнительные узкие места.
Переход на многоядерные чипы также ознаменовал появление темного кремния.
Темный век кремния
Вскоре стало очевидно, что при одновременном использовании слишком большого количества ядер может возникнуть утечка электрического тока, что воскресит проблему перегрева, которая убила масштабирование Деннарда на одноядерных микросхемах.
В результате многоядерные процессоры не могут использовать все свои ядра одновременно. Чем больше ядер вы добавите, тем больше транзисторов чипа необходимо отключить или замедлить, в процессе, известном как «темный кремний».
Таким образом, хотя закон Мура по-прежнему позволяет размещать на кристалле больше транзисторов, темный кремний разъедает ресурсы процессора. Следовательно, добавление дополнительных ядер становится бессмысленным, поскольку вы не можете использовать их все одновременно.
Поддержание закона Мура с использованием нескольких ядер кажется тупиком.
Как мог действовать закон Мура
Одно из средств – улучшить многопроцессорность программного обеспечения. Java, C ++ и другие языки, разработанные для одноядерных процессоров, уступят место таким, как Go, которые лучше работают одновременно.
Другой вариант – более широкое использование программируемых вентильных матриц (FPGA), типа настраиваемого процессора, который после покупки можно перенастроить для выполнения конкретных задач. Например, одна FPGA может быть оптимизирована заказчиком для обработки видео или может быть специально адаптирована для запуска приложений искусственного интеллекта.
Создание транзисторов из разных материалов, таких как графен, – это еще одна область, изучаемая с целью выжать больше из предсказания Мура. И, в конечном итоге, квантовые вычисления могут полностью изменить правила игры.
Будущее за законом Куми
В 2011 году профессор Джонатан Куми показал, что пиковая выходная энергоэффективность (эффективность процессора, работающего на максимальной скорости) повторяет траекторию вычислительной мощности, описанную законом Мура.
Согласно закону Куми, начиная с ламповых зверей 1940-х годов и заканчивая ноутбуками 1990-х годов, количество вычислений на джоуль энергии достоверно удваивалось каждые 1,57 года. Другими словами, батарея, используемая для выполнения определенной задачи, уменьшается вдвое каждые 19 месяцев, в результате чего энергия, необходимая для конкретных вычислений, уменьшается в 100 раз каждые десять лет.
Хотя закон Мура и масштабирование Деннарда были чрезвычайно важны в мире настольных компьютеров и ноутбуков, то, как мы используем процессоры, изменилось настолько, что энергоэффективность, обещанная законом Куми, вероятно, более актуальна для вас.
Ваша компьютерная жизнь, скорее всего, разделена между множеством устройств: ноутбуками, мобильными телефонами, планшетами и прочими гаджетами. В нашу эру быстро распространяющихся вычислений время автономной работы и производительность на ватт становятся более важными, чем выжать больше ГГц из наших многоядерных процессоров.
Точно так же, поскольку большая часть нашей обработки передается на аутсорсинг в массивные центры обработки данных облачных вычислений, последствия закона Куми для затрат на электроэнергию представляют большой интерес для технологических гигантов.
Однако с 2000 г. удвоение энергоэффективности в масштабах отрасли, описываемое законом Куми, замедлилось из-за прекращения масштабирования Деннарда и замедления действия закона Мура. Теперь закон Куми действует каждые 2,6 года, и в течение десяти лет энергоэффективность увеличивается всего в 16 раз, а не в 100 раз.
Возможно, преждевременно говорить о том, что закон Куми уже следует за Деннардом и Муром до заката. В 2020 году AMD сообщила, что энергоэффективность ее процессора AMD Ryzen 7 4800H выросла в 31,7 раза по сравнению с процессорами 2014 года, что дало своевременный и существенный импульс закону Куми.
Новое определение эффективности для расширения закона Куми
Пиковая выходная мощность – это лишь один из способов оценки вычислительной эффективности, который сейчас может быть устаревшим.
Этот показатель имел больше смысла в прошлые десятилетия, когда компьютеры были дефицитными, дорогостоящими ресурсами, которые, как правило, были доведены до предела пользователями и приложениями.
Сейчас большинство процессоров работают с максимальной производительностью лишь небольшую часть своей жизни, например, при запуске видеоигры. Другие задачи, такие как проверка сообщений или просмотр веб-страниц, требуют гораздо меньше энергии. Таким образом, в центре внимания оказывается средняя энергоэффективность.
Куми рассчитал эту «эффективность типичного использования», разделив количество операций, выполняемых в год, на общее количество потребляемой энергии, и утверждает, что это должно заменить стандарт «максимальной эффективности использования», использованный в его первоначальной формулировке.
Хотя анализ еще не опубликован, в период с 2008 по 2020 год ожидается, что эффективность типичного использования будет удваиваться каждые 1,5 года или около того, возвращая закон Куми к оптимальной скорости, наблюдаемой в период расцвета закона Мура.
Одним из следствий закона Куми является то, что устройства будут продолжать уменьшаться в размерах и становиться менее энергоемкими. Уменьшающиеся – но все же высокоскоростные – процессоры вскоре могут стать настолько маломощными, что они смогут получать энергию непосредственно из окружающей среды, такой как фоновое тепло, свет, движение и другие источники.
Такие повсеместные устройства обработки могут открыть настоящую эпоху Интернета вещей (IoT) и сделать ваш смартфон таким же устаревшим, как гигантские вакуумные трубки 1940-х годов.
Однако по мере того, как ученые и инженеры открывают и внедряют все больше и больше новых методов для оптимизации «эффективности типичного использования», эта часть общего энергопотребления компьютера, вероятно, упадет настолько сильно, что при типичных уровнях использования будет только пиковая мощность. достаточно значительный, чтобы измерить.
Использование пиковой мощности снова станет критерием для анализа энергоэффективности. В этом сценарии закон Куми в конечном итоге столкнется с теми же законами физики, которые замедляют закон Мура.
Те законы физики, которые включают второй закон термодинамики, означают, что закон Куми закончится около 2048 года.
Квантовые вычисления все изменят
Хорошая новость заключается в том, что к тому времени квантовые вычисления должны быть хорошо развиты, а транзисторы, основанные на единичных атомах, являются обычным явлением, и новое поколение исследователей должно будет открыть совершенно другой набор законов, чтобы предсказать будущее вычислений.