Законы развития вычислительных систем: от закона Мура до правила Куми

Закон Мура был сформулирован более пятидесяти лет назад. На протяжении всего этого времени он по большей части оставался справедливым. Даже сегодня при переходе от одного техпроцесса к другому плотность транзисторов на кристалле увеличивается примерно в два раза. Но есть проблема — скорость разработки новых техпроцессов замедляется. Например, в Intel долгое время откладывали массовое производство своих 10-нанометровых процессоров Ice Lake. Хотя ИТ-гигант начнет поставлять устройства в следующем месяце, анонс архитектуры состоялся около двух с половиной лет назад. Также в августе прошлого года производитель интегральных схем GlobalFoundries, который работал с AMD, прекратил разработку 7-нм техпроцессов (подробнее о причинах этого решения мы рассказывали в нашем блоге на Хабре). Журналисты  и руководители крупных ИТ-компаний уже не первый год пророчат смерть закону Мура.

Картинки по запросу Закон Мура

Даже сам Гордон как-то заявлял, что сформулированное им правило перестанет действовать. Однако закон Мура — не единственная закономерность, которая теряет актуальность и на которую равняются производители процессоров.

Закон масштабирования Деннарда

Его сформулировал в 1974 году инженер и разработчик динамической памяти DRAM Роберт Деннард (Robert Dennard) вместе с коллегами из IBM. Правило звучит следующим образом:

«Уменьшая размеры транзистора и повышая тактовую частоту процессора, мы можем легко повышать его производительность».

Правило Деннарда закрепило уменьшение ширины проводника (техпроцесса) в качестве главного показателя прогресса в индустрии микропроцессорной техники. Но закон масштабирования Деннарда перестал действовать примерно в 2006 году. Количество транзисторов в чипах продолжает увеличиваться, но этот факт не дает значительного прироста к производительности устройств.

Например, представители TSMC (производитель полупроводников) говорят, что переход с 7-нм техпроцесса на 5-нм увеличит тактовую частоту процессора всего на 15%.

Причиной замедления роста частоты, являются утечки токов, которые Деннард не учитывал в конце 70-х. При уменьшении размеров транзистора и повышении частоты ток начинает сильнее нагревать микросхему, что может вывести ее из строя. Поэтому производителям приходится балансировать выделяемую процессором мощность. В результате с 2006 года частота массовых чипов установилась на отметке в 4–5 ГГц.

/ фото Jason Leung Unsplash

Сегодня инженеры работают над новыми технологиями, которые позволят решить проблему и увеличить производительность микросхем. Например, специалисты из Австралии разрабатываютметалл-воздушный транзистор, который имеет частоту в несколько сотен гигагерц. Транзистор состоит из двух металлических электродов, выполняющих роли стока и истока и расположенных на расстоянии в 35 нм. Они обмениваются электронами друг с другом благодаря явлению автоэлектронной эмиссии.

По словам разработчиков, их устройство позволит перестать «гоняться» за уменьшением техпроцессов и сконцентрироваться на построении высокопроизводительных 3D-структур с большим числом транзисторов на кристалле.

Правило Куми

Его сформулировал в 2011 году профессор Стэнфорда Джонатан Куми (Jonathan Koomey). Совместно с коллегами из Microsoft, Intel и университета Карнеги-Меллона он проанализировал информацию об энергопотреблении вычислительных систем начиная с ЭВМ ENIAC, построенной в 1946 году. В итоге Куми сделал следующее заключение:

«Объем вычислений на киловатт энергии при статической нагрузке удваивается каждые полтора года».

При этом он отметил, что энергопотребление компьютеров за прошедшие годы также выросло. В 2015 году Куми вернулся к своей работе и дополнил исследование новыми данными. Он установил, что описанная им тенденция замедлилась. Средняя производительность чипа на киловатт энергии начала удваиваться примерно каждые три года. Тренд сменился из-за трудностей, связанных с охлаждением чипов (стр. 4), так как с уменьшением размеров транзисторов становится сложнее отводить тепло.

/ фото Derek Thomas CC BY-ND

Сейчас разрабатываются новые технологии охлаждения чипов, но об их массовом внедрении пока говорить не приходится. Например, разработчики из университета в Нью-Йорке предложили использовать лазерную 3D-печать для нанесения тонкого теплопроводящего слоя из титана, олова и серебра на кристалл. Теплопроводность такого материала в 7 раз лучше, чем у других термоинтерфейсов (термопасты и полимеров).

Несмотря на все факторы, по словам Куми, до теоретического энергетического предела еще далеко. Он ссылается на исследование физика Ричарда Фейнмана (Richard Feynman), который еще в 1985 году отметил, что показатель энергоэффективности процессоров вырастет в 100 млрд раз. На момент 2011 года этот показатель увеличился всего лишь в 40 тыс. раз.

ИТ-индустрия привыкла к высоким темпам роста вычислительных мощностей, поэтому инженеры ищут способы продлить действие закона Мура и преодолеть трудности, продиктованные правилами Куми и Деннарда. В частности, компании и исследовательские институты ищут замену традиционным транзисторным технологиям и кремнию. О некоторых из возможных альтернатив мы расскажем в следующий раз.

Автор: ИТ-ГРАДовец
Источник: https://habr.com/

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!