5.2: Смерть закону Мура?

Цілі навчання

Після вивчення цього розділу ви зможете зробити наступне:

1. Опишіть, чому Закон Мура продовжує просуватися, і обговоріть фізичні обмеження цього просування.
2. Назвіть і опишіть різні технології, які можуть продовжити життя закону Мура.
3. Обговоріть обмеження кожного з цих підходів.

Мур просто зауважив, що з часом ми стаємо краще, стискаючи більше речей у більш дрібних просторах. Закон Мура можливий, оскільки відстань між шляхами всередині кремнієвих чіпів стає меншою з кожним наступним поколінням. Хоча мікросхеми (напівпровідникові виробничі установки або фабрики) неймовірно дорогі для створення, кожне нове покоління фабрик може викрутити більше чіпів на кремнієву пластину. А оскільки шляхи ближче один до одного, електрони подорожують меншими відстанями. Якщо електроніка зараз проїжджає половину відстані, щоб зробити розрахунок, це означає, що чіп вдвічі швидше.

Але скорочення не може тривати назавжди, і ми вже починаємо бачити три взаємопов'язані сили - розмір, тепло та потужність - загрожують уповільнити рух підливи закону Мура. Коли ви робите процесори меншими, більш щільно упаковані електрони нагріватимуть чіп - настільки, що якщо найпотужніші чіпи сьогодні не охолонуть, вони розплавиться всередині своєї упаковки. Щоб зберегти найшвидші комп'ютери прохолодними, більшості ПК, ноутбуків та консолей відеоігор потрібні вентилятори, а більшість корпоративних центрів обробки даних мають складні та дорогі системи кондиціонування та вентиляції, щоб запобігти краху. Поїздка через центр обробки даних Facebook під час його недавнього підйому показала б, що фірма була «гарячим» запуском більшою мірою, ніж одним. Сервери фірми працювали настільки гарячими, що сторони оргскла серверних стійок фірми були викривлені та плавляться (McGirt, 2007)! Необхідність охолодження сучасних центрів обробки даних тягне багато енергії, і це коштує великих грошей.

Головний екологічний директор компанії Sun Microsystems стверджував, що комп'ютери забирають від 4 до 5 відсотків світової потужності. Головний технологічний директор Google заявив, що фірма витрачає більше на живлення своїх серверів, ніж вартість самих серверів (Kirkpatrick, 2007). Майкрософт, Yahoo! і Google побудували масивні центри обробки даних на північному заході Тихого океану, далеко від своєї корпоративної штаб-квартири, спеціально вибираючи ці місця для доступу до дешевої гідроелектростанції. Місцезнаходження Google в Далласі, штат Орегон, стягується місцевим постачальником електроенергії вартість за кіловат-годину в два центи, менше однієї п'ятої ставки одинадцяти центів, яку фірма платить в Силіконовій долині (Mehta, 2006) ¹. Ця різниця означає велику економію для фірми, яка працює більше мільйона серверів.

І хоча ці потужні скорочуються чіпи стають все більш гарячими і дорожчими для охолодження, важливо також розуміти, що чіпи не можуть стати меншими назавжди. У якийсь момент Закон Мура зіткнеться з непохитними законами природи. Хоча ми не впевнені, де ці межі, шляхи чіпа, безумовно, не можуть бути коротшими за одну молекулу, і фактична фізична межа, ймовірно, більша за це. Отримайте занадто малі, і явище, відоме як квантове тунелювання, починається, і електрони починають ковзати зі своїх шляхів. Байки!

Купівля часу

Один із способів подолання цієї проблеми - багатоядерні мікропроцесори, зроблені шляхом розміщення двох або більше ядер процесора нижчої потужності (думайте про ядро як обчислювальну частину мікропроцесора) на одному чіпі. Філіп Емма, менеджер IBM з системних технологій та мікроархітектури, пропонує аналогію. Подумайте про традиційні швидкі, гарячі одноядерні процесори як триста фунтів лайнмена, а двоядерний процесор - як про двох 160-фунтових хлопців. Каже Емма: «300-фунтовий лайнер може генерувати багато енергії, але два 160-фунтові хлопці можуть виконувати ту ж роботу з меншими загальними зусиллями» (Ashton, 2005). Для багатьох застосувань багатоядерні чіпи будуть перевершувати один швидкий чіп, при цьому працюючи кулер і витягуючи меншу потужність. Багатоядерні процесори зараз є мейнстрімом.

Сьогодні більшість продаваних ПК і ноутбуків мають як мінімум двоядерний (двоядерний) процесор. У Microsoft Xbox 360 є три ядра. PlayStation 3 включає так званий стільниковий процесор, розроблений Sony, IBM та Toshiba, який працює з дев'ятьма ядрами. До 2010 року Intel почала поставки процесорів для ПК з вісьмома ядрами, в той час як AMD представила дванадцятиядерний чіп. Intel навіть продемонструвала чіпи з п'ятдесятьма ядрами.

Багатоядерні процесори можуть запускати старе програмне забезпечення, написане для одномозкових чіпів. Але вони зазвичай роблять це, використовуючи лише одне ядро за раз. Щоб повторно використати метафору вище, це схоже на те, що один із наших 160-фунтових працівників піднімає, а інший стоїть навколо перегляду. Багатоядерні операційні системи можуть допомогти досягти певного приросту продуктивності. Версії Windows або Mac OS, які знають про багатоядерних процесорах, можуть призначити одну програму для запуску на одному ядрі, тоді як другий додаток призначається наступному ядру. Але для того, щоб повною мірою скористатися багатоядерними чіпами, програми потрібно переписати, щоб розділити завдання, щоб менші частини проблеми виконувалися одночасно всередині кожного ядра.

Написання коду для такого підходу «розділяй і володарюй» не є тривіальним. Насправді розробка програмного забезпечення для багатоядерних систем описується Шахрохом Дайджавадом, провідним програмним забезпеченням для обчислювальних систем наступного покоління в IBM, як «одне з найскладніших речей, які ви вивчаєте в інформатиці» (Ashton, 2005). Головний науковий співробітник Microsoft назвав кодування цих чіпів «найбільш концептуально різною [зміною] в історії сучасних обчислень» (Copeland, 2008). Незважаючи на цей виклик, одними з найбільш агресивних адаптерів багатоядерних чіпів були виробники консолей відеоігор. Додатки для відеоігор особливо добре підходять для декількох ядер, оскільки, наприклад, одне ядро може використовуватися для візуалізації фону, інше для малювання об'єктів, інше для «фізичного движка», який переміщує об'єкти навколо, і ще одне для обробки інтернет-комунікацій для багатокористувацьких ігор.

Іншим підходом до вдихання життя в закон Мура називають складені або тривимірні напівпровідники. У такому підході інженери розрізають плоский чіп на шматки, потім знову з'єднують шматки вертикально, роблячи свого роду «кремнієвий сендвіч». Чіпи і швидше, і прохолодніше, оскільки електрони подорожують менші відстані. Те, що колись було наскрізною поїздкою на звичайному чіпі, може бути просто крихітним рухом вгору або вниз на складеному чіпі. Але складені чіпи представляють свої власні проблеми. Так само, як хмарочос складніше і витратніше в проектуванні та будівництві, ніж будинок ранчо, 3-D напівпровідники важче проектувати та виготовляти. IBM розробила складені мікросхеми для мобільних телефонів, стверджуючи, що техніка покращує енергоефективність до 40 відсотків. HP Labs використовує технологію під назвою memristors, або резистори пам'яті, щоб поліпшити на звичайних транзисторах і прискорити перехід до 3-D чіпів, що дає значне поліпшення в порівнянні з 2-D пропозиціями (Markoff, 2010).

Квантові стрибки, курячі пір'я та долина арсеніду галію індію?

Подумайте про це - потрійна загроза розміру, тепла та потужності означає, що закон Мура, можливо, найбільший економічний підливний поїзд в історії, швидше за все, зупиниться у вашому житті. Багатоядерні та 3-D напівпровідники тут сьогодні, але що ще відбувається, щоб допомогти уникнути смерті закону Мура?

Кожен раз в той час відбувається матеріальний прорив, який покращує продуктивність чіпа. Кілька років тому дослідники виявили, що заміна алюмінієвих компонентів мікросхеми міддю може збільшити швидкість до 30 відсотків. Зараз вчені концентруються на вдосконаленні того самого напівпровідникового матеріалу, з якого виготовлені мікросхеми. Хоча кремній, що використовується в чіпах, дивно рясний (він має майже таку ж хімію, що міститься в піску), дослідники досліджують інші матеріали, які можуть дозволити чіпи з ще більш щільною щільністю компонентів. Дослідники продемонстрували, що мікросхеми, виготовлені з напівпровідникових матеріалів, що звучать супергік, таких як арсенід галію індію, германій та телурид вісмуту, можуть працювати швидше і вимагати меншої потужності, ніж їхні кремнієві колеги (Chen, et. al., 2009; Greene, 2007; Cane, 2006). Можливо, ще більш екзотичним (і абсолютно химерним) дослідники з Університету Делавер експериментували з більш швидким, ніж кремнієвим матеріалом, отриманим з курячого пір'я! Гіперефективні мікросхеми майбутнього також можуть бути зроблені з вуглецевих нанотрубок, як тільки технологія збирання крихітних структур стане комерційно життєздатною.

Інші конструкції відходять від електрики над кремнієм. Оптичні обчислення, де сигнали надсилаються через світло, а не електрику, обіцяє бути швидшими, ніж звичайні чіпи, якщо лазери можуть бути масово виготовлені в мініатюрі (кремнієві лазерні експерименти показують обіцянку). Інші експериментують, створюючи обчислювальні компоненти з використанням біологічного матеріалу (думаю, пристрій зберігання на основі ДНК).

Однією ще не перевіреною технологією, яка може здути кришку того, що сьогодні можливо, є квантові обчислення. Звичайні обчислення зберігають дані у вигляді комбінації бітів, де біт - це або одиниця, або нуль. Квантові комп'ютери, використовуючи принципи квантової фізики, використовують кубіти, які можуть бути як один, так і нуль одночасно. Додайте трохи в пам'ять звичайного комп'ютера, і ви подвоїте його ємність. Додайте трохи до квантового комп'ютера, і його ємність зростає в геометричній прогресії. Для порівняння врахуйте, що комп'ютерна модель серотоніну, молекули, життєво важливої для регулювання центральної нервової системи людини, ^{вимагатиме 10 94} байт інформації. На жаль, у Всесвіті недостатньо матерії, щоб побудувати такий великий комп'ютер. Але моделювання молекули серотоніну за допомогою квантових обчислень займе всього 424 кубіти (Kaihla, 2004).

Деякі припускають, що квантові комп'ютери можуть одного разу дозволити фармацевтичним компаніям створювати гіпердетальні уявлення про людський організм, які виявляють побічні ефекти наркотиків, перш ніж вони навіть перевірені на людях. Квантові обчислення також можуть точно передбачити погоду місяці заздалегідь або запропонувати непорушну комп'ютерну безпеку. Коли-небудь виникли проблеми з розміщенням імені з обличчям? Квантовий комп'ютер, пов'язаний з камерою (наприклад, у сонцезахисних окулярах) може розпізнати обличчя будь-кого, кого ви зустріли, і дати вам голову до їх імені та фону (Schwartz, et. al., 2006). Можливостей предостатньо. Звичайно, перш ніж квантові обчислення можуть бути комерціалізовані, дослідникам потрібно використовувати химерні властивості квантової фізики, де ваша відповідь може проживати в іншому Всесвіті, або може зникнути, якщо спостерігати (сам Ейнштейн називав певну поведінку в квантовій фізиці «моторошним дією на відстані»).

Піонерами в області квантових обчислень є IBM, HP, NEC та канадський стартап під назвою D-Wave. Якщо або коли квантові обчислення стають реальністю, все ще невідомо, але існує обіцянка, що, хоча Закон Мура може зіткнутися з обмеженнями, наведеними матінкою Природою, новий спосіб обчислень може підірвати все, що ми можемо зробити з кремнієм, продовжуючи робити можливим колись неможливе.

Ключові виноси

• Оскільки чіпи стають меншими та потужнішими, вони стають гарячішими та представляють проблеми управління живленням. І в деяких точках Закон Мура припиниться, тому що ми більше не зможемо скоротити проміжки між компонентами на мікросхемі.
• Багатоядерні чіпи використовують два або більше малопотужних обчислювальних «ядер» для спільної роботи в унісон, але щоб скористатися оптимальними перевагами багатоядерних чіпів, програмне забезпечення необхідно переписати, щоб «розділити» завдання між декількома ядрами.
• 3-D або стекові напівпровідники можуть зробити чіпи швидше і працювати прохолодніше, скорочуючи відстані між компонентами, але ці чіпи важче проектувати та виготовляти.
• Нові матеріали можуть продовжити термін служби закону Мура, дозволяючи чіпсів ставати менше, все одно. Абсолютно нові методи обчислення, такі як квантові обчислення, також можуть різко збільшити обчислювальні можливості далеко за межі того, що є сьогодні.

Питання та вправи

1. Які три взаємопов'язані сили загрожують уповільнити просування закону Мура?
2. Які комерційні рішення, описані в розділі вище, в даний час використовуються для протидії зазначеним вище силам? Як працюють ці рішення? Які обмеження кожного з них?
3. Чи будуть багатоядерні чіпи запускати програмне забезпечення, призначене для одноядерних процесорів?
4. Оскільки чіпи стають меншими, вони генерують все більшу кількість тепла, яке потрібно розсіювати. Чому тримати системи прохолодно такий виклик? Які наслідки для такої фірми, як Yahoo! або Google? Для такої фірми, як Apple або Dell?
5. Які матеріали можуть замінити кремній, з якого виготовлені струмові мікросхеми?
6. Які проблеми можуть бути вирішені, якщо буде досягнута обіцянка квантових обчислень? Як окремі особи та організації можуть використовувати квантові обчислення? Які проблеми можуть виникнути внаслідок широкої доступності таких потужних обчислювальних технологій?