Если вы обращали внимание на технические СМИ в течение последнего десятилетия, вы, вероятно, слышали о законе Мура и о том, как он, по-видимому, умирает. К сожалению, трудно описать, что такое закон Мура и как именно он умирает в стандартной новостной ленте. Вот все, что вам нужно знать о законе Мура, о том, что он означает для процессоров, почему люди говорят, что он умирает, и как компании находят обходные пути.
Описательный закон того, как индустрия микросхем работала десятилетиями
Закон Мура был введен соучредителем Intel Гордоном Муром в 1965 году, и он предсказывает, что каждые два года количество транзисторов (по сути, самый маленький компонент в процессоре) будет удваиваться. Таким образом, если вы создаете самый большой чип, какой только сможете сделать через год, вы должны быть в состоянии сделать чип, в котором будет вдвое больше транзисторов, через два года. Если промышленность сможет создать процессор с одним миллионом транзисторов за один год, то через два года будет возможно создание чипа с двумя миллионами транзисторов.
Во многом это связано с тем, как чипы производятся через то, что называется технологическим узлом. Предполагается, что каждый новый процесс должен быть более плотным, чем предыдущий, и именно так отрасль смогла выполнить прогнозы закона Мура на протяжении десятилетий. Вам может быть интересно, почему плотность необходима для увеличения количества транзисторов; почему бы просто не делать чип побольше каждый год? Ну, один чип может быть только таким большим. Самые большие чипы, когда-либо производившиеся в больших объемах, имеют площадь не более 800 мм2, что легко умещается на ладони. Таким образом, для увеличения количества транзисторов в микросхеме необходима более высокая плотность.
На протяжении большей части компьютерной истории производственные компании (в просторечии называемые фабриками) могли запускать новые технологические узлы каждый год или два и поддерживать закон Мура, пыхтя. Кроме того, новые узлы также улучшали частоту (иногда называемую просто производительностью) и эффективность энергопотребления, поэтому компании обычно хотели использовать последний или предпоследний процесс, если только они не создавали что-то базовое. Закон Мура был просто неоспоримой вещью, которая происходила и воспринималась как должное.
Как закон Мура умирает
Промышленность ожидала, что поток новых узлов каждый год или около того будет продолжаться вечно, но все это рухнуло в 21 веке. Одним из тревожных признаков был конец масштабирования Деннарда, который предсказывал, что более компактные транзисторы смогут работать на более высоких тактовых частотах, но это перестало быть правдой около 65-нм отметки в середине 2000-х годов. При таких крошечных размерах транзисторы демонстрировали новое поведение, которое не мог предвидеть ни один физик.
Но конец масштабирования Деннарда был ничтожным по сравнению с кризисом, с которым почти все фабрики в мире столкнулись вокруг 32 нм в начале 2010-х годов. Сократить количество транзисторов ниже 32 нм было чрезвычайно сложно, и в течение многих лет Intel была единственной компанией, успешно перешедшей на 22-нм техпроцесс, следующий полный апгрейд после 32-нм. Только в середине 2010-х годов конкуренты Intel смогли догнать Intel, но к тому времени отрасль существенно изменилась.
Источник: Йоле Девелопмент
На приведенной выше диаграмме показано количество компаний, которые за прошедшие годы смогли производить лучшие в отрасли узлы в данном году и в данном поколении. Это число снижалось в течение многих лет, но, похоже, стабилизировалось в конце 2000-х – начале 2010-х годов. Затем, когда компании начали понимать, насколько сложно будет выйти за рамки 32 нм, они сдались. Четырнадцать передовых фабрик перешли на 45-нм техпроцесс, но только шесть из них перешли на 16-нм. Сегодня только три из этих фабрик все еще находятся на переднем крае: Intel, Samsungи ТСМС. Однако многие ожидают либо Samsung или Intel, чтобы в конце концов пополнить ряды павших.
Даже компании, которые могут разрабатывать эти новые узлы, не могут сравниться с приростом от поколения к поколению старых узлов. Становится все труднее сделать чипсы более плотными; 3-нм узел TSMC фактически не смог уменьшить кеш, что является катастрофой. И в то время как прирост плотности уменьшается с каждым поколением, производство становится все более дорогим, что приводит к стагнации стоимости транзистора начиная с 32 нм, что затрудняет продажу процессоров по более низким ценам. Улучшения производительности и эффективности также не так хороши, как раньше.
Все это вместе и означает смерть Закона Мура для людей. Дело не только в том, что не удается удвоить количество транзисторов каждые два года; речь идет о росте цен, достижении пределов производительности и невозможности повысить эффективность так же легко, как раньше. Это экзистенциальная проблема для всей компьютерной индустрии.
Как компании оправдывают ожидания закона Мура, даже когда он умирает
Источник: AMD
В то время как смерть закона Мура, несомненно, является растущей проблемой, каждый год приносит инновации от ключевых игроков, многие из которых находят способы полностью обойти производственные проблемы, которые преследуют отрасль в течение многих лет. В то время как закон Мура говорит о транзисторах, дух закона Мура можно поддерживать, просто выполняя традиционные улучшения производительности от поколения к поколению, и в распоряжении отрасли есть множество инструментов, инструментов, которых не существовало даже десятилетие назад.
Технология чиплетов AMD и Intel (которую Intel называет тайлами) не только доказала соответствие требованиям закона Мура к производительности, но и требованиям к транзисторам. Хотя один чип может быть очень большим, теоретически вы можете добавить много-много чипов к одному процессору. Чиплет — это, по сути, небольшой чип, который в сочетании с другими чиплетами образует полноценный процессор. Принятие AMD чиплетов в 2019 году позволило компании удвоить количество ядер, предлагаемых в настольных компьютерах и серверах.
Кроме того, чиплеты могут быть специализированы, и именно здесь технология действительно сияет перед лицом умирающего закона Мура. Поскольку объем кэш-памяти на новых узлах на самом деле не уменьшается, почему бы не поместить весь кэш-память на чиплеты, используя более старые и дешевые узлы, а процессорные ядра — на чиплеты с новейшим узлом? Это то, что AMD делает со своим 3D V-Cache и кристаллами кеша памяти (или MCD) в высокопроизводительных графических процессорах RX 7000, таких как RX 7900 XTX. Некоторые из лучших процессоров и лучших графических процессоров AMD были бы невозможны без чиплетов.
Источник: Нвидиа
Nvidia, с другой стороны, с гордостью провозгласила смерть закона Мура и сделала ставку на ИИ. Ускоряя рабочие нагрузки с помощью тензорных ядер с поддержкой ИИ, производительность может легко удвоиться или даже больше, поэтому Nvidia вообще не трогала чиплеты. Однако ИИ, безусловно, является более ресурсоемким решением. DLSS, технология повышения разрешения Nvidia на основе искусственного интеллекта, требует усилий как от разработчиков игр, так и от Nvidia для реализации в играх, и DLSS также не идеальна.
Единственный другой вариант, кроме этих двух, — просто улучшить архитектуру процессоров и получить большую производительность при том же количестве транзисторов. Этот путь исторически был очень трудным для компаний, и, хотя новые поколения процессоров приносят архитектурные улучшения, прирост производительности обычно измеряется однозначными процентами. Как бы то ни было, разработчикам микросхем с этого момента может потребоваться больше внимания уделять архитектурным обновлениям, потому что это не просто этап.
