Raskere, tynnere, billigere: Er Koomeys lov New Moores lov?

Bærbare datamaskiner, mobiltelefoner og nettbrett blir billigere, slankere og kraftigere hvert år, mens batterilevetiden blir lenger. Har du noen gang lurt på hvorfor dette er, og om enheter kan fortsette å forbedre seg for alltid?

Svaret på det første spørsmålet er forklart av tre lover oppdaget av forskere, kjent som Moores lov, Dennard skalering og Koomeys lov. Les videre for å forstå innvirkningen av disse lovene på databehandling og hvor de kan lede oss i fremtiden.

Hva er Moores lov?

Hvis du er en vanlig MakeUseOf-leser, er du muligens klar over den mytiske Moores lov.

Intels administrerende direktør og medstifter Gordon Moore introduserte den først i 1965.

Han spådde at antall transistorer på en brikke ville fordobles omtrent hvert annet år og bli mellom 20 og 30 prosent billigere å lage årlig. Intels første prosessor ble utgitt i 1971 med 2250 transistorer og et område på 12 mm². Dagens CPU-er har hundrevis av millioner transistorer per millimeter kvadrat.

Mens det startet som en spådom, vedtok industrien også Moores lov som en veikart. I fem tiår tillot lovens forutsigbarhet selskaper å formulere langsiktige strategier, vel vitende om at, selv om designene deres var umulige i planleggingsfasen, ville Moores lov levere varene på riktig måte øyeblikk.

Dette hadde en banebrytende effekt på mange områder, fra den stadig forbedrende spillgrafikken til det ballongmessige antallet megapiksler i digitale kameraer.

Loven har imidlertid en holdbarhet, og fremdriftshastigheten avtar. Selv om chipmakere fortsetter å finn nye måter rundt grensene for silisiumchips, Mener Moore selv at det ikke lenger vil fungere innen slutten av dette tiåret. Men det vil ikke være den første teknologiloven som forsvinner.

Når Moores lov slutter: 3 alternativer til silisiumchips

Moores lov har diktert tempoet i den teknologiske utviklingen i flere tiår. Men hva skjer når dets fysiske grenser er nådd?

Hva har noen gang skjedd med Dennard Scaling?

I 1974 observerte IBM-forsker Robert Dennard at når transistorer krymper, forblir strømforbruket proporsjonalt med sitt område.

Dennard-skalering, som det ble kjent, betydde at transistorområdet ble redusert med 50 prosent hver 18. måned, noe som førte til en hastighetsforbedring på 40 prosent, men med samme nivå av strømforbruk.

Med andre ord vil antall beregninger per watt vokse i en eksponentiell, men pålitelig hastighet, og transistorer vil bli raskere, billigere og bruke mindre strøm.

I en alder av Dennard-skalering pleide forbedring av ytelsen å være en forutsigbar prosess for chipmakere. De la bare til flere transistorer til CPUer og økte klokkefrekvensen.

Dette var også lett for forbrukeren å forstå: en prosessor som kjørte på 3,0 GHz var raskere enn en som kjørte på 2,0 GHz, og prosessorer ble stadig raskere. Den internasjonale teknologikjøringen for halvledere (ITRS) antok en gang at klokkekursene ville nå 12 GHz innen 2013!

I dag har de beste prosessorene på markedet en basefrekvens på bare 4,1 GHz. Hva skjedde?

Slutten på Dennard-skalering

Klokkehastigheter ble sittende fast i gjørma rundt 2004 da reduksjoner i strømforbruket sluttet å følge med transistorenes krympefrekvens.

Transistorer ble for små, og den elektriske strømmen begynte å lekke ut, forårsaket overoppheting og høye temperaturer, noe som førte til feil og skade på utstyret. Det er en av grunnene hvorfor datamaskinbrikken din har en kjøleribbe. Dennard Scaling hadde nådd grenser diktert av fysikkens lover.

Flere kjerner, flere problemer

Med kunder og hele bransjer vant til kontinuerlige hastighetsforbedringer trengte chipprodusenter en løsning. Så de begynte å legge til kjerner i prosessorer som en måte å fortsette å øke ytelsen.

Imidlertid er flere kjerner ikke like effektive som bare å øke klokkehastigheten på enkjernede enheter. Mesteparten av programvaren kan ikke dra nytte av multiprosessering. Minnebuffer og strømforbruk er ekstra flaskehalser.

Overgangen til flerkjernebrikker varslet også ankomsten av mørkt silisium.

Dark Dark of Silicon

Det ble snart tydelig at hvis for mange kjerner brukes samtidig, kan den elektriske strømmen lekke og gjenopplive overopphetingsproblemet som drepte Dennard-skalering på enkeltkjerne chips.

Resultatet er flerkjerneprosessorer som ikke kan bruke alle kjernene på en gang. Jo flere kjerner du legger til, jo flere må transistorer av en chip slås av eller bremses, i en prosess som kalles "mørkt silisium."

Så selv om Moores lov fortsetter å la flere transistorer passe på en chip, spiser mørkt silisium CPU-eiendom. Derfor blir det meningsløst å legge til flere kjerner, ettersom du ikke klarer å bruke dem alle samtidig.

Å opprettholde Moores lov ved bruk av flere kjerner ser ut til å være en blindvei.

Hvordan Moores lov kan fortsette

Et middel er å forbedre multiprosessering av programvare. Java, C ++ og andre språk designet for enkeltkjerner vil vike for de som Go, som er bedre til å kjøre samtidig.

Et annet alternativ er å øke bruken av feltprogrammerbare gate arrays (FPGAer), en type tilpassbar prosessor som kan omkonfigureres for bestemte oppgaver etter kjøpet. For eksempel kan en FPGA optimaliseres av en kunde for å håndtere video mens den eller kan være spesielt tilpasset for å kjøre applikasjoner med kunstig intelligens.

Å bygge transistorer av forskjellige materialer, for eksempel grafen, er et annet område som blir undersøkt for å presse mer liv ut av Moores spådom. Og helt nede på linjen kan kvanteberegning endre spillet helt.

Fremtiden tilhører Koomeys lov

I 2011 viste professor Jonathan Koomey at energieffektivitet i toppeffekt (effektiviteten til en prosessor som kjører i toppfart) gjenspeiler prosessorkraftbanen som er beskrevet i Moores lov.

Koomeys lov bemerket at fra 1940-tallet vakuumrørsdyr til bærbare datamaskiner på 1990-tallet hadde beregninger per joule energi på en pålitelig måte doblet hvert 1,57 år. Med andre ord halverte batteriet som ble brukt av en bestemt oppgave hver 19. måned, noe som resulterte i at energien som trengs for en spesifikk beregning, falt med en faktor 100 hvert tiår.

Mens Moores lov og Dennard-skalering var enormt viktige i en verden av stasjonære og bærbare datamaskiner, slik vi bruker prosessorer har endret seg så mye at energieffektiviteten som er lovet av Koomeys lov, sannsynligvis er mer relevant for du.

Datalivet ditt er sannsynligvis delt mellom mange enheter: bærbare datamaskiner, mobiltelefoner, nettbrett og diverse apparater. I denne tiden av spre databehandling, blir batteriets levetid og ytelse per watt viktigere enn å presse mer GHz ut av våre mange-kjernede prosessorer.

På samme måte, med mer av behandlingen vår som er outsourcet til enorme datasentre for cloud computing, er konsekvensene av energikostnadene til Koomeys lov av stor interesse for tekniske giganter.

Siden 2000 har den doblede doblingen av energieffektiviteten som er beskrevet i Koomeys lov, bremset på grunn av slutten av Dennard-skalering og retardasjonen av Moores lov. Koomeys lov leverer nå hvert 2,6 år, og i løpet av et tiår øker energieffektiviteten med en faktor på bare 16, i stedet for 100.

Det kan være for tidlig å si at Koomeys lov allerede følger Dennard og Moore ut i solnedgangen. I 2020 rapporterte AMD at energieffektiviteten til AMD Ryzen 7 4800H-prosessoren steg med en faktor på 31.7 sammenlignet med 2014-prosessorer, noe som gir Koomeys lov et betimelig og betydelig løft.

I slekt: Apples nye M1-brikke er en spillveksler: Alt du trenger å vite

Omdefinere effektivitet for å utvide Koomeys lov

Effekt ved topputgang er bare en måte å evaluere databehandlingseffektivitet på, og en som nå kan være utdatert.

Denne beregningen ga mer mening de siste tiårene, da datamaskiner var knappe, kostbare ressurser som hadde en tendens til å bli presset til sitt ytterste av brukere og applikasjoner.

Nå kjører de fleste prosessorer med topp ytelse i bare en liten del av livet, for eksempel når de kjører et videospill. Andre oppgaver, som å sjekke meldinger eller surfe på nettet, krever mye mindre strøm. Som sådan blir gjennomsnittlig energieffektivitet i fokus.

Koomey har beregnet denne "typiske brukseffektiviteten" ved å dele antall operasjoner utført per år med den totale energien som brukes og hevder at den skal erstatte "peak-use efficiency" -standarden som ble brukt i originalen formulering.

Selv om analysen fremdeles skal publiseres, forventes effektiv bruksområde å ha mellom 2008 og 2020 doblet hvert 1,5 år eller så, og returnerte Koomeys lov til den optimale hastigheten sett da Moores lov var i sin prime.

En implikasjon av Koomeys lov er at enheter vil fortsette å redusere i størrelse og bli mindre strømkrevende. Krympende - men likevel høyhastighets - prosessorer kan snart være så lite drevne at de vil være i stand til å tegne deres energi direkte fra miljøet, slik som bakgrunnsvarme, lys, bevegelse og annet kilder.

Slike allestedsnærværende prosesseringsenheter har potensial til å innlede den sanne tidsalderen til tingenes internett (IoT) og få smarttelefonen din til å se like eldgamle ut som vakuumrørene på 1940-tallet.

Imidlertid, som forskere og ingeniører oppdager og implementerer flere og flere nye teknikker for å optimalisere "effektiv bruk", den delen av datamaskinens totale energiforbruk vil sannsynligvis falle så mye at bare ved toppnivå vil bare toppeffekt være betydelig nok til måle.

Peak-output-bruk blir nok en målestokk for energieffektivitetsanalyse. I dette scenariet vil Koomeys lov til slutt møte de samme fysikklover som bremser Moores lov.

Disse fysikklovene, som inkluderer den andre loven om termodynamikk, betyr at Koomeys lov vil slutte rundt 2048.

Quantum Computing vil forandre alt

Den gode nyheten er at kvanteberegning da skal være godt utviklet, med transistorer basert på enkeltatomer vanlig, og en ny generasjon forskere må oppdage et helt annet sett med lover for å forutsi fremtiden for databehandling.

AMD vs. Intel: Hva er den beste spillprosessoren?

Hvis du bygger en spill-PC og revet mellom AMD- og Intel-prosessorer, er det på tide å lære hvilken prosessor som er best for spillriggen.

Om forfatteren