Nopeampi, ohuempi, halvempi: Onko Koomeyn laki uusi Mooren laki?

Kannettavat tietokoneet, matkapuhelimet ja tabletit ovat halvempia, tyylikkäitä ja tehokkaampia joka vuosi, kun taas akun käyttöikä pitenee. Oletko koskaan miettinyt, miksi näin on ja voivatko laitteet jatkaa parantamista ikuisesti?

Vastaus ensimmäiseen kysymykseen selitetään tutkijoiden löytämillä kolmella lailla, jotka tunnetaan nimellä Moore's Law, Dennard scaling ja Koomey's Law. Lue eteenpäin ymmärtääksesi näiden lakien vaikutukset tietojenkäsittelyyn ja mihin ne saattavat johtaa meitä tulevaisuudessa.

Mikä on Mooren laki?

Jos olet säännöllinen MakeUseOf-lukija, olet mahdollisesti tietoinen myyttisestä Mooren laista.

Intelin toimitusjohtaja ja perustaja Gordon Moore esitteli sen ensimmäisen kerran vuonna 1965.

Hän ennusti, että sirun transistoreiden määrä kaksinkertaistuu suunnilleen kahden vuoden välein ja tulee 20-30 prosentin välillä halvemmaksi tehdä vuosittain. Intelin ensimmäinen prosessori julkaistiin vuonna 1971, jossa oli 2250 transistoria ja pinta-ala 12 mm

². Tämän päivän suorittimiin mahtuu satoja miljoonia transistoreita millimetrin neliötä kohti.

Vaikka se alkoi ennusteena, teollisuus hyväksyi myös Mooren lain etenemissuunnitelmaksi. Viiden vuosikymmenen ajan lain ennustettavuus antoi yrityksille mahdollisuuden muotoilla pitkän aikavälin strategioita tietäen, että vaikka niiden suunnittelu olisi mahdotonta suunnitteluvaiheessa, Mooren laki toimitti tavarat sopivalla tavalla hetki.

Tällä oli vaikutusta monilla aloilla, aina parantavasta peligrafiikasta aina megapikselien nousuun digitaalikameroissa.

Laissa on kuitenkin säilyvyysaika, ja edistymisnopeus hidastuu. Vaikka sirunvalmistajat jatkavat löytää uusia tapoja piipiipien rajojen yli, Moore itse uskoo, että se ei enää toimi tämän vuosikymmenen loppuun mennessä. Mutta se ei ole ensimmäinen tekniikan laki, joka katoaa.

Kun Mooren laki päättyy: 3 vaihtoehtoa piihakeille

Mooren laki on sanellut teknologisen kehityksen vauhdin vuosikymmenien ajan. Mutta mitä tapahtuu, kun sen fyysiset rajat saavutetaan?

Mitä Dennard Scaling on koskaan tapahtunut?

Vuonna 1974 IBM: n tutkija Robert Dennard havaitsi, että kun transistorit pienenevät, niiden virrankulutus pysyy verrannollisena niiden pinta-alaan.

Dennard-skaalaus, kuten se tuli tunnetuksi, tarkoitti transistorin alueen vähentymistä 50 prosentilla 18 kuukauden välein, mikä johti kellonopeuden nousuun 40 prosenttia, mutta samalla virrankulutuksella.

Toisin sanoen laskelmien määrä wattia kohti kasvaisi eksponentiaalisella mutta luotettavalla nopeudella, ja transistorit saisivat nopeamman, halvemman ja vähemmän virtaa.

Dennard-skaalauksen aikakaudella suorituskyvyn parantaminen oli ennustettavissa oleva prosessi sirujen valmistajille. He vain lisäsivät lisää transistoreita suorittimiin ja nostivat kellotaajuuksia.

Tämä oli myös kuluttajan helppo ymmärtää: 3,0 GHz: n prosessori oli nopeampi kuin 2,0 GHz: n prosessori, ja prosessorit nopeutuivat jatkuvasti. Itse asiassa puolijohteiden kansainvälinen teknologia-etenemissuunnitelma (ITRS) ennusti kellonopeuksien saavuttamisen 12 GHz vuoteen 2013 mennessä!

Silti tänään markkinoiden parhaiden prosessorien perustaajuus on vain 4,1 GHz. Mitä tapahtui?

Dennard-skaalauksen loppu

Kellonopeudet juuttuivat mutaan noin vuonna 2004, kun virrankulutuksen väheneminen lakkasi pysymästä mukana transistoreiden kutistumisnopeudessa.

Transistorit olivat liian pieniä, ja sähkövirta alkoi vuotaa, aiheuttaen ylikuumenemista ja korkeita lämpötiloja, mikä johti virheisiin ja laitevaurioihin. Se on yksi syy miksi tietokoneesi sirussa on jäähdytyselementti. Dennard Scaling oli saavuttanut fysiikan lakien sanomat rajat.

Lisää ytimiä, enemmän ongelmia

Koska asiakkaat ja koko teollisuus ovat tottuneet jatkuvaan nopeuden parantamiseen, sirujen valmistajat tarvitsivat ratkaisun. Joten he alkoivat lisätä ytimiä prosessoreihin keinona lisätä suorituskykyä.

Useat ytimet eivät kuitenkaan ole yhtä tehokkaita kuin yksinkertaisesti kellonopeuden nostaminen yhden ytimen yksiköissä. Useimmat ohjelmistot eivät voi hyödyntää moniprosessointia. Muistivälimuisti ja virrankulutus ovat pullonkauloja.

Siirtyminen monisäikeisiin siruihin ilmoitti myös tumman piin saapumisesta.

Piin pimeä aika

Pian kävi ilmi, että jos liian monta ydintä käytetään samanaikaisesti, sähkövirta voi vuotaa, mikä herättää uudelleen ylikuumenemisongelman, joka tappoi Dennardin skaalautumisen yhden ytimen siruissa.

Tuloksena on monisydämiset prosessorit, jotka eivät voi käyttää kaikkia ytimiään kerralla. Mitä enemmän ytimiä lisäät, sitä enemmän sirun transistoreita on kytkettävä pois päältä tai hidastettava prosessissa, joka tunnetaan nimellä "tumma pii".

Joten, vaikka Mooren laki antaa yhä enemmän transistoreita sirulle, tumma pii syö CPU: n kiinteistöjä. Siksi uusien ytimien lisääminen on turhaa, koska et pysty käyttämään kaikkia niitä samanaikaisesti.

Mooreen lain ylläpitäminen useilla ytimillä näyttää olevan umpikuja.

Kuinka Mooren laki voisi jatkua

Yksi keino on parantaa ohjelmistojen moniprosessointia. Java, C ++ ja muut yksittäisille ytimille suunnitellut kielet antavat tien Go: n kaltaisille, jotka pystyvät paremmin ajamaan samanaikaisesti.

Toinen vaihtoehto on lisätä kentällä ohjelmoitavien porttiryhmien (FPGA) käyttöä, joka on mukautettava prosessori, joka voidaan konfiguroida uudelleen tiettyihin tehtäviin ostamisen jälkeen. Esimerkiksi asiakas voi optimoida yhden FPGA: n käsittelemään videota tai se voidaan sovittaa erityisesti tekoälysovellusten suorittamiseen.

Transistoreiden rakentaminen erilaisista materiaaleista, kuten grafeenista, on toinen alue, jota tutkitaan puristamaan enemmän elämää Mooren ennusteista. Ja alaspäin, kvanttilaskenta voi muuttaa peliä kokonaan.

Tulevaisuus kuuluu Koomeyn lakiin

Vuonna 2011 professori Jonathan Koomey osoitti, että huipputehoinen energiatehokkuus (huippunopeudella suoritettavan prosessorin hyötysuhde) toisti Mooreen lain kuvaaman prosessitehon radan.

Koomeyn laissa todettiin, että 1940-luvun alipaineputkista pedoihin ja 1990-luvun kannettaviin tietokoneisiin energialaulujen laskelmat olivat kaksinkertaistuneet luotettavasti 1,57 vuoden välein. Toisin sanoen tietyn tehtävän käyttämä akku puolittui 19 kuukauden välein, minkä seurauksena tietyn laskennan tarvitsema energia putoaa kertoimella 100 joka vuosikymmen.

Vaikka Mooren laki ja Dennardin skaalaus olivat erittäin tärkeitä pöytätietokoneiden ja kannettavien tietokoneiden maailmassa, tapamme käyttää prosessorit ovat muuttuneet niin paljon, että Koomeyn lailla luvattu energiatehokkuus on todennäköisesti merkityksellisempi sinä.

Tietojesi käyttöikä on todennäköisesti jaettu monien laitteiden välillä: kannettavat tietokoneet, matkapuhelimet, tabletit ja erilaiset gadgetit. Tämän aikakauden lisääntyä tietojenkäsittely, akun kesto ja teho wattia kohti ovat yhä tärkeämpiä kuin enemmän GHz: n puristamista monisydämisistä prosessoreistamme.

Samoin kun enemmän prosessointimme ulkoistetaan massiivisiin pilvipalvelukeskuksiin, Koomeyn lain energiakustannusvaikutukset kiinnittävät suurta huomiota tekniikan jättiläisiin.

Vuodesta 2000 lähtien Koomeyn laissa kuvattu energiatehokkuuden kaksinkertaistuminen koko teollisuudessa on kuitenkin hidastunut Dennardin skaalauksen lopettamisen ja Moore-lain hidastumisen vuoksi. Koomeyn laki toimitetaan nyt 2,6 vuoden välein, ja vuosikymmenen aikana energiatehokkuus kasvaa vain 16: lla 100: n sijaan.

Voi olla ennenaikaista sanoa, että Koomeyn laki seuraa jo Dennardia ja Moorea auringonlaskuun. Vuonna 2020 AMD ilmoitti, että sen AMD Ryzen 7 4800H -prosessorin energiatehokkuus nousi kertoimella 31.7 verrattuna sen vuoden 2014 suorittimiin, mikä antoi Koomeyn laille oikea-aikaisen ja merkittävän lisäyksen.

Liittyvät: Applen uusi M1-siru on pelinvaihtaja: kaikki mitä sinun tarvitsee tietää

Tehokkuuden uudelleen määritteleminen Koomeyn lain laajentamiseksi

Huippulähtötehokkuus on vain yksi tapa arvioida laskentatehokkuus ja yksi, joka voi nyt olla vanhentunut.

Tämä tieto oli järkevämpi viime vuosikymmeninä, jolloin tietokoneita oli niukasti ja kalliita resursseja, joita käyttäjät ja sovellukset pyrkivät ajamaan rajoilleen.

Suurin osa prosessoreista toimii nyt huippunopeudella vain pienen osan elämästään esimerkiksi videopeliä käytettäessä. Muut tehtävät, kuten viestien tarkistus tai verkon selaaminen, vaativat paljon vähemmän virtaa. Sellaisena keskimääräinen energiatehokkuus on tulossa painopisteeksi.

Koomey on laskenut tämän "tyypillisen käytön tehokkuuden" jakamalla suoritettujen toimintojen lukumäärän luvulla käytetyn energian kokonaismäärä ja väittää, että sen pitäisi korvata alkuperäisessä "huippukäytön tehokkuuden" standardi muotoilu.

Vaikka analyysiä on vielä julkaistava, vuosien 2008 ja 2020 välillä tyypillisen käytön tehokkuuden odotetaan olevan kaksinkertaistui noin 1,5 vuoden välein, palauttamalla Koomeyn laki optimaaliselle tasolle, joka nähtiin Mooreen lain ollessa voimassa prime.

Yksi Koomeyn lain merkitys on, että laitteiden koko pienenee edelleen ja niistä tulee vähemmän virrankulutus. Kutistuvat - mutta silti nopeat - prosessorit saattavat pian olla niin pienitehoisia, että ne pystyvät piirtämään energiansa suoraan ympäristöstä, kuten taustalämpö, ​​valo, liike ja muu lähteet.

Tällaisilla kaikkialla läsnä olevilla käsittelylaitteilla on mahdollisuus johtaa esineiden internetin (IoT) todelliseen ikään ja saada älypuhelimesi näyttämään yhtä vanhentuneelta kuin 1940-luvun tyhjiöputkiset behemotit.

Kuitenkin, kun tutkijat ja insinöörit löytävät ja toteuttavat yhä enemmän uusia tekniikoita "tyypillisen käytön tehokkuuden" optimoimiseksi, tämä osa tietokoneen kokonaisenergiankulutuksesta todennäköisesti vähenee niin paljon, että tyypillisillä käyttötasoilla vain huipputeho on riittävän merkittävä mitata.

Huipputuotannon käytöstä tulee jälleen mittapuu energiatehokkuuden analysointiin. Tässä skenaariossa Koomeyn laki kohtaa lopulta samat fysiikan lait, jotka hidastavat Mooren lakia.

Nämä fysiikan lait, jotka sisältävät toisen termodynamiikan lain, tarkoittavat, että Koomeyn laki päättyy noin vuonna 2048.

Kvanttilaskenta muuttaa kaiken

Hyvä uutinen on, että siihen mennessä kvanttilaskennan pitäisi olla hyvin kehittynyt, ja transistorit perustuvat yksittäisiin atomiin yleinen, ja uuden tutkijoiden sukupolven on löydettävä kokonaan muut lait, joiden avulla voidaan ennustaa tulevaisuutta laskenta.

AMD vs. Intel: Mikä on paras pelaamisen suoritin?

Jos olet rakentamassa pelitietokonetta ja revitty AMD- ja Intel-suorittimien välillä, on aika oppia, mikä prosessori sopii parhaiten pelilaitteellesi.

Kirjailijasta