Кроме Мура — кто еще формулировал законы масштабирования вычислительных систем

    Говорим о двух правилах, которые также начинают терять актуальность.


    / фото Laura Ockel Unsplash

    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. 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 разрабатывают металл-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.



    О чем мы пишем в корпоративном блоге:




    Наши отчеты с VMware EMPOWER 2019 на Хабре:

    • +19
    • 6,7k
    • 6
    ИТ-ГРАД
    223,86
    vmware iaas provider
    Поделиться публикацией

    Комментарии 6

      0

      Не уверен в применимости этих законов на практике. Наверняка проанализировать тренд на основании последних лет и скорректировать прогноз, используя имеющиеся открытые данные по развитию в области, будет надежнее
      Точно можно заметить, что люди, живущие внутри ит и телекома более требовательны к прогрессу, чем другие. Высокая скорость изменений кажется нормой и не ожидаешь, что где то сейчас уже 5 лет строят "новый" корабль и это даже "быстро" благодаря тому же ит

        0

        Эти "законы" — скорее эмпирические выводы. Думаю, сами авторы не жидали длительного их действия, особенно Мур. Просто наблюдения и экстраполяция на ближайшее будущее.
        Вспоминается тонкое наблюдения Станислава Лема про рост стоимости военных самолётов. "Только могущественные сверхдержавы смогут позволить себе иметь десяток таких супер-самолетов." Пока не выполнилось.

          0

          А разве так много государств разрабатывает суперсовременные самолеты? Или я не уловил суть.

            0

            Там имелось в виду именно их наличие, в малых количествах.
            Но в плане производства да, это уже выполняется.

              0
              Дык и в наличии они тоже у небольшого количества стран.
        –1
        Можно понять желание инженеров сформулировать свои «законы» развития технологии через общепринятые технические параметры (количество транзисторов, затворов, размер минимальных элементов, быстродействие, энергопотребление и т.п.), но это чисто экономический закон.
        При отсутствии ограничения для роста рынка и запредельном финансировании, в условиях капиталистической («рыночной») экономики развитие технологии происходит по экспоненте, и лидеры могут владеть более 70-80% рынка, и соответственно иметь основной профит. Остальное большинство участников будет довольствоваться 20-30 % рынка с гораздо меньшей доходностью.
        Тенденции замедления обусловлены так называемой «зрелостью» технологии и достижения насыщения рынка продуктами этой технологии. Не будем пока обсуждать достижение «физических ограничений», налагаемых самой физикой процессов.
        Богатый исторический опыт нашей цивилизации показывает, что именно в это время появляется другая, более прогрессивная технология, способная преодолеть все или почти все ограничения и выдать рыночный продукт более высокого качества с большей маржинальностью.
        Применительно данного случая, автор справедливо упоминает вакуумную микроэлектронику.

        Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

        Самое читаемое