Лаптопите, мобилните телефони и таблетите стават по-евтини, по-елегантни, по-мощни всяка година, докато животът на батерията продължава да се удължава. Замисляли ли сте се защо е така и дали устройствата могат да продължат да се подобряват завинаги?
Отговорът на първия въпрос се обяснява с три закона, открити от изследователите, известни като закона на Мур, скалата на Денард и закона на Куми. Прочетете, за да разберете въздействието на тези закони върху изчислителната техника и къде могат да ни доведат в бъдеще.
Какво представлява законът на Мур?
Ако сте редовен читател на MakeUseOf, вероятно сте наясно с митичния закон на Мур.
Изпълнителният директор и съосновател на Intel Гордън Мур го представи за първи път през 1965 г.
Той прогнозира, че броят на транзисторите на чипа ще се удвоява приблизително на всеки две години и ще стане между 20 и 30 процента по-евтино, за да се правят годишно. Първият процесор на Intel е пуснат през 1971 г. с 2250 транзистора и площ от 12 мм
2. Днешните процесори съдържат стотици милиони транзистори на милиметър квадрат.Въпреки че започна като прогноза, индустрията прие и закона на Мур като пътна карта. В продължение на пет десетилетия предвидимостта на закона позволява на компаниите да формулират дългосрочни стратегии, знаейки, че, дори ако проектите им бяха невъзможни на етапа на планиране, законът на Мур щеше да достави стоките по подходящ начин момент.
Това оказа удар в много области, от непрекъснато подобряващата се графика на игрите до балонния брой мегапиксели в цифровите фотоапарати.
Законът обаче има срок на годност и темпът на напредък се забавя. Въпреки че производителите на чипове продължават намерете нови начини да заобиколите границите на силициевите чипове, Самият Мур вярва, че вече няма да работи до края на това десетилетие. Но това няма да е първият технологичен закон, който ще изчезне.
Законът на Мур диктува темповете на технологично развитие от десетилетия. Но какво се случва, когато се достигнат физическите му граници?
Какво се случи с мащабирането на Деннард?
През 1974 г. изследователят на IBM Робърт Денард забеляза, че с намаляването на транзисторите тяхната мощност остава пропорционална на тяхната площ.
Мащабирането на Деннард, както стана известно, означаваше, че площта на транзистора намалява с 50 процента на всеки 18 месеца, което води до ускорение на тактовата честота от 40 процента, но със същото ниво на консумация на енергия.
С други думи, броят на изчисленията на ват ще расте с експоненциална, но надеждна скорост, а транзисторите ще стават по-бързи, по-евтини и ще използват по-малко енергия.
В ерата на мащабирането на Денърд подобряването на производителността беше предвидим процес за производителите на чипове. Те просто добавиха още транзистори към процесорите и увеличиха тактовите честоти.
Това също беше лесно за потребителя да разбере: процесор, работещ на 3.0 GHz, беше по-бърз от този, работещ на 2.0 GHz, и процесорите продължаваха да стават все по-бързи. Всъщност Международната технологична пътна карта за полупроводници (ITRS) веднъж прогнозира, че тактовите честоти ще достигнат 12GHz до 2013 г.!
И все пак днес най-добрите процесори на пазара имат базова честота от само 4.1GHz. Какво стана?
Краят на мащабирането на Денърд
Тактовите честоти заседнаха в калта около 2004 г., когато намаляването на потреблението на енергия спря да върви в крак със скоростта на свиване на транзисторите.
Транзисторите станаха твърде малки и електрическият ток започна да изтича, причинявайки прегряване и високи температури, което доведе до грешки и повреда на оборудването. Това е една от причините защо компютърният ви чип има радиатор. Денард Мащабиране беше достигнал граници, продиктувани от законите на физиката.
Повече ядра, повече проблеми
С клиенти и цели индустрии, свикнали с непрекъснато подобряване на скоростта, производителите на чипове се нуждаеха от решение. И така, те започнаха да добавят ядра към процесорите като начин да продължат да увеличават производителността.
Множеството ядра обаче не са толкова ефективни, колкото просто увеличаване на тактовите честоти на едноядрените модули. Повечето софтуери не могат да се възползват от многопроцесорната обработка. Кеширането на паметта и консумацията на енергия са допълнителни тесни места.
Преминаването към многоядрени чипове също предвещава пристигането на тъмен силиций.
Тъмната ера на силиция
Скоро стана ясно, че ако се използват твърде много ядра едновременно, електрическият ток може да изтече, възкресявайки проблема с прегряването, който уби Денард мащабиране на едноядрени чипове.
Резултатът е многоядрени процесори, които не могат да използват всичките си ядра наведнъж. Колкото повече ядра добавите, толкова повече транзистори на чипа трябва да бъдат изключени или забавени, в процес, известен като „тъмен силиций“.
Така че, въпреки че законът на Мур продължава да позволява повече транзистори да се поберат на чип, тъмният силиций изяжда CPU недвижимите имоти. Следователно добавянето на повече ядра става безсмислено, тъй като не можете да използвате всичките едновременно.
Поддържането на закона на Мур, използвайки множество ядра, изглежда задънена улица.
Как законът на Мур може да продължи
Едно от средствата е да се подобри многопроцесорната обработка на софтуера. Java, C ++ и други езици, предназначени за единични ядра, ще отстъпят място на такива като Go, които работят по-добре едновременно.
Друга възможност е увеличаването на използването на програмируеми на поле масиви на порта (FPGA), тип персонализиращ се процесор, който може да бъде преконфигуриран за конкретни задачи след покупка. Например, една FPGA може да бъде оптимизирана от клиент за обработка на видео, докато може да бъде специално адаптирана за стартиране на приложения за изкуствен интелект.
Изграждането на транзистори от различни материали, като графен, е друга област, която се изследва, за да изтласка повече живот от прогнозата на Мур. И по-надолу, квантовите изчисления могат да променят играта изобщо.
Бъдещето принадлежи на закона на Кумей
През 2011 г. професор Джонатан Кумей показа, че енергийната ефективност на върховата мощност (ефективността на процесор, работещ с максимална скорост) повтаря траекторията на процесорна мощност, описана от закона на Мур.
Законът на Кумей отбелязва, че от 40-те звезди във вакуумните лампи до лаптопите от 90-те години изчисленията на джаул енергия са се удвоявали надеждно на всеки 1,57 години. С други думи, батерията, използвана от определена задача, се намалява наполовина на всеки 19 месеца, в резултат на което енергията, необходима за конкретно изчисление, спада със фактор 100 на всяко десетилетие.
Докато законът на Мур и мащабирането на Денърд бяха изключително важни в света на настолни компютри и лаптопи, начинът, по който използваме процесорите се промени толкова много, че енергийната ефективност, обещана от закона на Кумей, вероятно е по-подходяща за ти.
Вашият компютърен живот вероятно е разделен между много устройства: лаптопи, мобилни телефони, таблети и различни джаджи. В тази епоха на размножават изчисленията, животът на батерията и производителността на ват стават по-важни от изстискването на повече GHz от нашите многоядрени процесори.
По същия начин, с повече от нашата обработка, възложена на масивни центрове за изчисления в облак, последиците от енергийните разходи от Закона на Кумей представляват голям интерес за технологичните гиганти.
От 2000 г. обаче удвояването на енергийната ефективност в индустрията, описано от закона на Кумей, се забавя поради края на мащабирането на Денард и забавянето на закона на Мур. Законът на Кумей сега предлага на всеки 2,6 години и в продължение на десетилетие енергийната ефективност се увеличава само с 16, а не със 100.
Може да е преждевременно да се каже, че законът на Куми вече следва закона на Денърд и Мур в залеза. През 2020 г. AMD съобщи, че енергийната ефективност на процесора AMD Ryzen 7 4800H се е увеличила с коефициент от 31.7 в сравнение със своите процесори от 2014 г., което дава на закона на Кумей своевременен и значителен тласък.
Свързани: Новият чип M1 на Apple е играч за промяна: Всичко, което трябва да знаете
Предефиниране на ефективността за разширяване на закона на Кумей
Ефективността на върхова мощност е само един от начините за оценка на изчислителната ефективност и този, който сега може да е остарял.
Тази метрика имаше по-голям смисъл през последните десетилетия, когато компютрите бяха оскъдни, скъпи ресурси, които потребителите и приложения имаха тенденция да изтласкват своите граници.
Сега повечето процесори работят с върхова производителност само за малка част от живота си, когато например изпълняват видеоигри. Други задачи, като проверка на съобщения или сърфиране в мрежата, изискват много по-малко енергия. Като такава средната енергийна ефективност се фокусира.
Koomey е изчислил тази „ефективност при типична употреба“, като е разделил броя на извършените операции за година на общата използвана енергия и твърди, че тя трябва да замени стандарта за "максимална ефективност", използван в оригинала му формулировка.
Въпреки че анализът все още предстои да бъде публикуван, между 2008 и 2020 г. се очаква да има ефективност при типично използване се удвоява на всеки 1,5 години или така, връщайки закона на Куми до оптималната скорост, наблюдавана, когато законът на Мур е в сила премиер.
Един от последиците от закона на Кумей е, че устройствата ще продължат да намаляват по размер и да стават по-малко енергоемки. Свиващите се, но все пак високоскоростни процесори, скоро може да са с толкова ниска мощност, че да могат да черпят тяхната енергия директно от околната среда, като фонова топлина, светлина, движение и други източници.
Такива вездесъщи устройства за обработка имат потенциала да въведат истинската ера на Интернет на нещата (IoT) и да направят смартфона ви да изглежда толкова остарял, колкото вакуумните тръби от 1940-те.
Въпреки това, докато учените и инженерите откриват и прилагат все повече и повече нови техники за оптимизиране на „ефективността при типично използване“, тази част от общото потребление на енергия на компютъра вероятно ще спадне толкова много, че при нива на типична употреба само пиковата мощност ще бъде достатъчно значителна, за да мярка.
Използването на максимална мощност ще стане отново критерий за анализ на енергийната ефективност. При този сценарий Законът на Куми в крайна сметка ще срещне същите закони на физиката, които забавят закона на Мур.
Тези закони на физиката, които включват втория закон на термодинамиката, означават, че законът на Кумей ще приключи около 2048 г.
Квантовите изчисления ще променят всичко
Добрата новина е, че дотогава квантовите изчисления трябва да бъдат добре развити, с транзистори, базирани на единични атоми често срещано явление и ново поколение изследователи ще трябва да открие съвсем друг набор от закони, за да предскаже бъдещето на изчислителна техника.
Ако изграждате компютър за игри и сте разкъсани между процесори AMD и Intel, време е да научите кой процесор е най-подходящ за вашата игрална платформа.
- Обяснени технологии
- процесор
- Intel
- AMD процесор
- Законът на Мур
Джо МакКросан е писател на свободна практика, доброволен технически специалист по отстраняване на неизправности и аматьорски ремонт на велосипеди. Той харесва Linux, отворен код и всякакви вълшебни иновации.
Абонирайте се за нашия бюлетин
Присъединете се към нашия бюлетин за технически съвети, рецензии, безплатни електронни книги и ексклузивни оферти!
Още една стъпка…!
Моля, потвърдете имейл адреса си в имейла, който току-що ви изпратихме.
