Laptopurile, telefoanele mobile și tabletele devin mai ieftine, mai elegante, mai puternice în fiecare an, în timp ce durata de viață a bateriei se prelungește. V-ați întrebat vreodată de ce este acest lucru și dacă dispozitivele pot continua să se îmbunătățească pentru totdeauna?
Răspunsul la prima întrebare este explicat de trei legi descoperite de cercetători, cunoscute sub numele de Legea lui Moore, scalarea lui Dennard și Legea lui Koomey. Citiți mai departe pentru a înțelege impactul acestor legi asupra calculelor și unde ar putea să ne conducă în viitor.
Ce este legea lui Moore?
Dacă sunteți un cititor obișnuit de MakeUseOf, probabil că sunteți conștient de legea mitică a lui Moore.
CEO-ul Intel și cofondatorul Gordon Moore l-au introdus pentru prima dată în 1965.
El a prezis că numărul de tranzistoare pe un cip se va dubla aproximativ la fiecare doi ani și va deveni între 20 și 30% mai ieftin de făcut anual. Primul procesor Intel a fost lansat în 1971 cu 2.250 de tranzistoare și o suprafață de 12 mm
2. CPU-urile de astăzi conțin sute de milioane de tranzistoare pe milimetru pătrat.Deși a început ca o predicție, industria a adoptat și Legea lui Moore ca foaie de parcurs. Timp de cinci decenii, previzibilitatea legii a permis companiilor să formuleze strategii pe termen lung, știind că, chiar dacă proiectele lor ar fi imposibile în etapa de planificare, legea lui Moore ar livra bunurile în mod corespunzător moment.
Acest lucru a avut un efect knock-on în multe domenii, de la grafica în continuă îmbunătățire a jocurilor la numărul crescător de megapixeli din camerele digitale.
Cu toate acestea, legea are o durată de valabilitate, iar rata de progres încetinește. Deși producătorii de cipuri continuă găsiți noi modalități de limitare a cipurilor de siliciu, Moore însuși consideră că nu va mai funcționa până la sfârșitul acestui deceniu. Dar nu va fi prima lege a tehnologiei care va dispărea.
Legea lui Moore a dictat ritmul dezvoltării tehnologice de zeci de ani. Dar ce se întâmplă când sunt atinse limitele sale fizice?
Ce s-a întâmplat vreodată cu Dennard Scaling?
În 1974, cercetătorul IBM Robert Dennard a observat că, pe măsură ce tranzistoarele se micșorează, consumul lor de energie rămâne proporțional cu aria lor.
Scalarea Dennard, așa cum a devenit cunoscut, a însemnat că zona tranzistorului a fost redusă cu 50% la fiecare 18 luni, ducând la o creștere a vitezei ceasului de 40%, dar cu același nivel de consum de energie.
Cu alte cuvinte, numărul de calcule pe watt ar crește la o rată exponențială, dar fiabilă, iar tranzistoarele ar deveni mai rapide, mai ieftine și ar consuma mai puțină energie.
În epoca scalării Dennard, îmbunătățirea performanței a fost un proces previzibil pentru producătorii de cipuri. Au adăugat doar mai multe tranzistoare la procesoare și au crescut frecvențele de ceas.
Acest lucru a fost, de asemenea, ușor de înțeles pentru consumator: un procesor care rulează la 3,0 GHz a fost mai rapid decât unul care rulează la 2,0 GHz, iar procesoarele au continuat să fie mai rapide. Într-adevăr, Foaia de parcurs tehnologică internațională pentru semiconductori (ITRS) a prezis odată că ratele de ceas vor ajunge 12 GHz până în 2013!
Cu toate acestea, astăzi, cele mai bune procesoare de pe piață au o frecvență de bază de doar 4,1 GHz. Ce s-a întâmplat?
Sfârșitul scalării lui Dennard
Vitezele ceasului s-au blocat în noroi în jurul anului 2004, când reducerea consumului de energie a încetat să țină pasul cu viteza de contracție a tranzistoarelor.
Tranzistoarele au devenit prea mici, iar curentul electric a început să scurgă, provocând supraîncălzire și temperaturi ridicate, ducând la erori și la deteriorarea echipamentelor. Acesta este unul dintre motive de ce cipul computerului dvs. are radiator. Dennard Scaling ajunsese la limite dictate de legile fizicii.
Mai multe nuclee, mai multe probleme
Cu clienții și întregi industrii obișnuite cu îmbunătățirea continuă a vitezei, producătorii de cipuri aveau nevoie de o soluție. Deci, au început să adauge nuclee la procesoare ca o modalitate de a continua să crească performanța.
Cu toate acestea, mai multe nuclee nu sunt la fel de eficiente ca simpla creștere a vitezei de ceas pe unitățile cu un singur nucleu. Majoritatea software-urilor nu pot profita de multiprocesare. Memorarea în cache a memoriei și consumul de energie sunt blocaje suplimentare.
Trecerea la cipuri multicore a anunțat, de asemenea, sosirea siliciului întunecat.
Epoca întunecată a siliconului
Curând a devenit evident că, dacă se utilizează simultan prea multe nuclee, curentul electric se poate scurge, reînvierea problemei de supraîncălzire care a ucis scalarea Dennard pe cipurile cu un singur nucleu.
Rezultatul este procesoare multicore care nu își pot folosi toate nucleele simultan. Cu cât adăugați mai multe nuclee, cu atât mai multe tranzistoare ale unui cip trebuie să fie oprite sau încetinite, într-un proces cunoscut sub numele de „siliciu întunecat”.
Deci, deși Legea lui Moore continuă să permită mai mulți tranzistori să se potrivească pe un cip, siliciu întunecat consumă imobilele CPU. Prin urmare, adăugarea mai multor nuclee devine inutilă, deoarece nu le puteți folosi pe toate în același timp.
Susținerea legii lui Moore folosind mai multe nuclee pare a fi o fundătură.
Cum ar putea continua legea lui Moore
Un remediu este îmbunătățirea multiprocesării software. Java, C ++ și alte limbaje concepute pentru nuclee individuale vor da loc unor altele precum Go, care sunt mai bune la rularea simultană.
O altă opțiune este creșterea utilizării matricilor de porți programabile în câmp (FPGA), un tip de procesor personalizabil care poate fi reconfigurat pentru sarcini specifice după cumpărare. De exemplu, un FPGA ar putea fi optimizat de un client pentru a gestiona videoclipuri sau ar putea fi special adaptat pentru a rula aplicații de inteligență artificială.
Construirea tranzistoarelor din diferite materiale, cum ar fi grafenul, este un alt domeniu investigat pentru a scoate mai multă viață din predicția lui Moore. Și, de-a lungul liniei, calculul cuantic poate schimba cu totul jocul.
Viitorul aparține Legii lui Koomey
În 2011, profesorul Jonathan Koomey a arătat că eficiența energetică de vârf (eficiența unui procesor care rulează la viteză maximă) a ecou traiectoria puterii de procesare descrisă de legea lui Moore.
Legea lui Koomey a observat că, de la fiarele din tuburile de vid din anii 1940 până la laptopurile din anii 1990, calculele pe joule de energie s-au dublat în mod fiabil la fiecare 1,57 de ani. Cu alte cuvinte, bateria utilizată de o anumită sarcină s-a înjumătățit la fiecare 19 luni, rezultând ca energia necesară pentru un anumit calcul să scadă cu un factor de 100 în fiecare deceniu.
În timp ce legea lui Moore și scalarea Dennard au fost extrem de importante într-o lume a desktopurilor și laptopurilor, modul în care îl folosim procesoarele s-au schimbat atât de mult încât eficiența energetică promisă de legea lui Koomey este probabil mai relevantă pentru tu.
Viața dvs. de calcul este probabil împărțită între multe dispozitive: laptopuri, telefoane mobile, tablete și gadgeturi diverse. În această eră a proliferează calculul, durata de viață a bateriei și performanța pe watt devin mai importante decât scoaterea mai multor GHz din procesoarele noastre cu multe nuclee.
La fel, cu mai multe procesări noastre externalizate către centre de date masive de cloud computing, implicațiile costurilor energetice ale Legii lui Koomey sunt de mare interes pentru giganții tehnologici.
Cu toate acestea, din 2000, dublarea la nivel de industrie a eficienței energetice descrisă de legea Koomey a încetinit din cauza sfârșitului scalării Dennard și a decelerării legii lui Moore. Legea lui Koomey dă acum la fiecare 2,6 ani și, pe parcursul unui deceniu, eficiența energetică crește cu doar 16, mai degrabă decât 100.
Poate fi prematur să spunem că Legea lui Koomey îl urmează deja pe Dennard și Moore până la apus. În 2020, AMD a raportat că eficiența energetică a procesorului său AMD Ryzen 7 4800H a crescut cu un factor de 31.7 în comparație cu procesoarele sale din 2014, oferind Legii lui Koomey un impuls în timp util și substanțial.
Legate de: Noul chip M1 al Apple este un schimbător de jocuri: tot ce trebuie să știți
Redefinirea eficienței pentru extinderea legii lui Koomey
Eficiența maximă a puterii de ieșire este doar o modalitate de evaluare a eficienței de calcul și una care ar putea fi acum depășită.
Această valoare a avut mai mult sens în deceniile trecute, când computerele erau resurse rare și costisitoare, care tindeau să fie împinse la limita lor de către utilizatori și aplicații.
Acum, majoritatea procesoarelor rulează la performanțe maxime doar pentru o mică parte din viața lor, atunci când rulează un joc video, de exemplu. Alte sarcini, cum ar fi verificarea mesajelor sau navigarea pe web, necesită mult mai puțină energie. Ca atare, eficiența energetică medie devine punctul central.
Koomey a calculat această „eficiență de utilizare tipică” împărțind numărul de operațiuni efectuate pe an la energia totală utilizată și susține că ar trebui să înlocuiască standardul „eficiență maximă de utilizare” utilizat în originalul său formulare.
Deși analiza urmează să fie publicată, între 2008 și 2020, se așteaptă ca eficiența utilizării tipice să aibă s-a dublat la fiecare 1,5 ani, cam așa, readucând legea lui Koomey la rata optimă observată când Legea lui Moore era în vigoare prim.
O implicație a legii lui Koomey este că dispozitivele vor continua să reducă dimensiunile și să devină mai puțin consumatoare de energie. Procesoarele care se micșorează - dar totuși de mare viteză - pot avea în curând o putere atât de redusă încât vor putea să deseneze energia lor direct din mediu, cum ar fi căldura de fond, lumina, mișcarea și altele surse.
Astfel de dispozitive de procesare omniprezente au potențialul de a deschide adevărata eră a Internetului obiectelor (IoT) și de a face smartphone-ul să arate la fel de vechi ca behemotii cu tuburi vidate din anii 1940.
Cu toate acestea, pe măsură ce oamenii de știință și inginerii descoperă și pun în aplicare tot mai multe tehnici noi pentru a optimiza „eficiența utilizării tipice”, acea porțiune consumul total de energie al unui computer este probabil să scadă atât de mult încât, la nivelurile de utilizare tipice, numai ieșirea de vârf va fi suficient de semnificativă pentru a măsura.
Utilizarea maximă a producției va deveni din nou criteriul de analiză a eficienței energetice. În acest scenariu, Legea lui Koomey va întâlni în cele din urmă aceleași legi ale fizicii care încetinesc Legea lui Moore.
Aceste legi ale fizicii, care includ a doua lege a termodinamicii, înseamnă că Legea lui Koomey se va încheia în jurul anului 2048.
Calculul cuantic va schimba totul
Vestea bună este că, până atunci, calculul cuantic ar trebui să fie bine dezvoltat, cu tranzistoare bazate pe atomi unici o nouă generație de cercetători va trebui să descopere un alt set de legi pentru a prezice viitorul tehnica de calcul.
Dacă construiești un PC de jocuri și ești repartizat între procesoarele AMD și Intel, este timpul să afli care procesor este cel mai potrivit pentru platforma ta de jocuri.
- Tehnologie explicată
- CPU
- Intel
- Procesor AMD
- Legea lui Moore
Joe McCrossan este un scriitor independent, deputat voluntar în tehnologie și reparator de biciclete amator. Îi place Linux, open source și tot felul de inovații vrăjitoare.
Aboneaza-te la newsletter-ul nostru
Alăturați-vă newsletterului pentru sfaturi tehnice, recenzii, cărți electronice gratuite și oferte exclusive!
Încă un pas…!
Vă rugăm să confirmați adresa de e-mail în e-mailul pe care tocmai vi l-am trimis.