מהיר יותר, דק יותר, זול יותר: האם החוק של קומי הוא החוק החדש של מור?

מחשבים ניידים, מוביילים וטאבלטים זולים יותר, חלקים וחזקים יותר מדי שנה, ואילו חיי הסוללה מתארכים. האם אי פעם תהיתם מדוע זה ואם המכשירים יכולים להמשיך ולהשתפר לנצח?

התשובה לשאלה הראשונה מוסברת בשלושה חוקים שהתגלו על ידי חוקרים, המכונים חוק מור, קנה מידה של דנארד וחוק קומי. המשך לקרוא כדי להבין את ההשפעה של חוקים אלה על המחשוב ולאן הם עשויים להוביל אותנו בעתיד.

מהו חוק מור?

אם אתה קורא קבוע של MakeUseOf, ייתכן שאתה מודע לחוק מור המיתולוגי.

מנכ"ל אינטל ומייסד שותף גורדון מור הציג זאת לראשונה בשנת 1965.

הוא חזה שמספר הטרנזיסטורים על שבב יוכפל כל שנתיים בערך ויהפוך לזול יותר בין 20 ל -30 אחוזים בשנה. המעבד הראשון של אינטל שוחרר בשנת 1971 עם 2,250 טרנזיסטורים ושטח של 12 מ"מ². המעבדים של ימינו מחזיקים מאות מיליוני טרנזיסטורים למ"ר.

אמנם זה התחיל כחיזוי, אבל התעשייה אימצה את חוק מור כ מפת דרכים. במשך חמישה עשורים, יכולת החיזוי של החוק אפשרה לחברות לגבש אסטרטגיות ארוכות טווח בידיעה ש, גם אם התכנון שלהם לא היה אפשרי בשלב התכנון, חוק מור היה מספק את הסחורה בצורה המתאימה רֶגַע.

זה השפיע על תחומים רבים, החל בגרפיקה המשתפרת של המשחקים ועד למספר הבלונים של מגה פיקסל במצלמות דיגיטליות.

עם זאת, לחוק חיי מדף, וקצב ההתקדמות מאט. למרות שיצרני השבבים ממשיכים למצוא דרכים חדשות סביב גבולות שבבי הסיליקון, מור עצמו מאמין שזה כבר לא יעבוד בסוף העשור הזה. אבל זה לא יהיה החוק הראשון של הטכנולוגיה שייעלם.

כאשר החוק של מור מסתיים: 3 אלטרנטיבות לשבבי סיליקון

חוק מור מכתיב את קצב ההתפתחות הטכנולוגית במשך עשרות שנים. אך מה קורה כשמגיעים לגבולותיו הפיזיים?

מה קרה אי פעם לדנארד קנה המידה?

בשנת 1974, חוקר יבמ, רוברט דנארד, ציין שככל שהטרנזיסטורים מצטמצמים, השימוש בכוח שלהם נשאר פרופורציונאלי לאזורם.

שינוי קנה המידה של דנארד, כידוע, פירושו שאזור הטרנזיסטור הצטמצם ב -50% כל 18 חודשים, מה שהוביל להגברת מהירות השעון של 40%, אך עם אותה רמת צריכת חשמל.

במילים אחרות, מספר החישובים לוואט יגדל בקצב אקספוננציאלי אך אמין, והטרנזיסטורים היו מקבלים מהיר יותר, זול יותר ומשתמשים בפחות כוח.

בעידן קנה המידה של דנארד, שיפור הביצועים היה בעבר תהליך צפוי עבור יצרני השבבים. הם פשוט הוסיפו טרנזיסטורים נוספים למעבדים והגבירו את תדרי השעון.

קל היה להבין זאת גם עבור הצרכן: מעבד שפועל ב -3.0 גיגה הרץ היה מהיר יותר מזה שפועל ב -2.0 גיגה הרץ, והמעבדים המשיכו להתקדם מהר יותר. ואכן, מפת הדרכים הבינלאומית למוליכים למחצה (ITRS) חזתה פעם כי שיעורי השעון יגיעו 12 GHz עד 2013!

אולם כיום, למעבדים הטובים ביותר בשוק יש תדר בסיס של 4.1 GHz בלבד. מה קרה?

קנה המידה של דנארד

מהירויות השעון נתקעו בבוץ בסביבות 2004, כאשר הפחתה בשימוש בחשמל הפסיקה לעמוד בקצב התכווצות הטרנזיסטורים.

הטרנזיסטורים נעשו קטנים מדי, והזרם החשמלי החל לדלוף החוצה, וגרם להתחממות יתר וטמפרטורות גבוהות, מה שהוביל לשגיאות ולנזק לציוד. זו אחת הסיבות מדוע שבב המחשב שלך כולל גוף קירור. דנרד קנה מידה הגיע לגבולות המוכתבים על ידי חוקי הפיזיקה.

יותר ליבות, יותר בעיות

עם לקוחות ותעשיות שלמות שהתרגלו לשיפור מתמיד במהירות, יצרני השבבים נזקקו לפיתרון. אז הם התחילו להוסיף ליבות למעבדים כדרך להמשיך ולהגדיל את הביצועים.

עם זאת, ליבות מרובות אינן יעילות כמו פשוט להגביר את מהירויות השעון ביחידות ליבה אחת. מרבית התוכנות אינן יכולות לנצל ריבוי עיבודים. מטמון זיכרון וצריכת חשמל הם צווארי בקבוק נוספים.

המעבר לשבבי רב-ליבות בישר גם על הגעתו של סיליקון כהה.

עידן האופל של הסיליקון

עד מהרה התברר שאם משתמשים ביותר מדי ליבות בו זמנית, הזרם החשמלי יכול לדלוף, ולהקים מחדש את בעיית התחממות היתר שהרגה את קנה המידה של דנארד על שבבים חד ליביים.

התוצאה היא מעבדים מרובי ליבות שלא יכולים להשתמש בכל ליבותיהם בבת אחת. ככל שתוסיף ליבות רבות יותר, צריך לכבות או להאט את הטרנזיסטורים של השבב, בתהליך המכונה "סיליקון כהה".

לכן, למרות שחוק מור ממשיך לאפשר לטרנזיסטורים נוספים להתאים על שבב, הסיליקון הכהה אוכל את הנדל"ן של המעבד. לכן, הוספת ליבות נוספות הופכת לחסרת טעם, מכיוון שאינך יכול להשתמש בכולן בו זמנית.

שמירת חוק מור באמצעות ליבות מרובות נראה כמבוי סתום.

איך החוק של מור יכול להמשיך

תרופה אחת היא שיפור ריבוי עיבוד תוכנה. Java, C ++ ושפות אחרות המיועדות לליבות בודדות יפנו את מקומם לשפות כמו Go, שעדיפות לרוץ במקביל.

אפשרות נוספת היא הגדלת השימוש במערכי שערים הניתנים לתכנות בשטח (FPGA), סוג של מעבד הניתן להתאמה אישית שניתן להגדיר מחדש למשימות ספציפיות לאחר הרכישה. לדוגמא, לקוח יכול להיות מותאם על ידי FPGA אחד לצורך טיפול בווידאו ואילו יכול להיות מותאם במיוחד להפעלת יישומי בינה מלאכותית.

בניית טרנזיסטורים מחומרים שונים, כגון גרפן, הוא תחום נוסף הנחקר כדי לסחוט עוד חיים מתוך התחזית של מור. ובדרך, המחשוב הקוונטי עשוי לשנות את המשחק לחלוטין.

העתיד שייך לחוק של קומי

בשנת 2011 הראה פרופסור ג'ונתן קומיי כי יעילות אנרגיה שיאית (תפוקת מעבד שפועל במהירות שיא) מהדהדת את מסלול כוח העיבוד המתואר בחוק מור.

החוק של קומי ציין כי החל מחיות צינור הוואקום של שנות הארבעים ועד המחשבים הניידים של שנות התשעים, החישובים לכל ג'אול אנרגיה הוכפלו באופן מהימן כל 1.57 שנים. במילים אחרות, הסוללה בה השתמשה משימה מסוימת חצתה כל 19 חודשים, וכתוצאה מכך האנרגיה הדרושה לחישוב ספציפי נפלה בגורם 100 בכל עשור.

בעוד שחוק מור וקנה המידה של דנארד היו חשובים מאוד בעולם של מחשבים שולחניים וניידים, הדרך בה אנו משתמשים המעבדים השתנו כל כך הרבה, עד כי היעילות האנרגטית שהבטיח חוק קומי היא כנראה רלוונטית יותר עבור אתה.

חיי המחשוב שלך מפוצלים ככל הנראה בין מכשירים רבים: מחשבים ניידים, מוביילים, טאבלטים וגאדג'טים שונים. בעידן זה של מחשוב מתרביםחיי הסוללה והביצועים לוואט הופכים לחשובים יותר מאשר סחיטת יותר GHz ממעבדי הליבה הרבים שלנו.

כמו כן, כאשר יותר מהעיבודים שלנו במיקור חוץ למרכזי נתונים גדולים של מחשוב ענן, ההשלכות בעלות האנרגיה של חוק קומי מעניין מאוד את ענקיות הטכנולוגיה.

עם זאת, מאז שנת 2000 האטה הכפלת היעילות האנרגטית בענף המתוארת בחוק קומי בגלל סיום קנה המידה של דנארד והאטת חוק מור. החוק של קומי מספק כעת כל 2.6 שנים, ובמהלך עשור, יעילות האנרגיה עולה בגורם של 16 בלבד, במקום 100.

יכול להיות מוקדם לומר שהחוק של קומי כבר עוקב אחר דנארד ומור אל השקיעה. בשנת 2020 דיווחה AMD כי יעילות האנרגיה של מעבד AMD Ryzen 7 4800H שלה עלתה בשיעור של 31.7 בהשוואה למעבדי 2014 שלו, מה שמעניק לחוק של קומי דחיפה מהותית ומהותית.

קָשׁוּר: צ'יפ M1 החדש של אפל הוא מחליף משחקים: כל מה שאתה צריך לדעת

הגדרה מחדש של יעילות להרחבת החוק של קומי

יעילות הספק שיא-תפוקה היא רק דרך אחת להעריך את יעילות המחשוב וזו שעשויה להיות לא מעודכנת.

מדד זה היה הגיוני יותר בעשורים האחרונים, כאשר המחשבים היו מעטים ומשאבים יקרים שנטו להידחף לגבולותיהם על ידי משתמשים ויישומים.

כעת, מרבית המעבדים פועלים בשיא ביצועים רק בחלק קטן מחייהם, כאשר הם מפעילים משחק וידאו, למשל. משימות אחרות, כמו בדיקת הודעות או גלישה באינטרנט, דורשות הרבה פחות כוח. ככזה, יעילות האנרגיה הממוצעת הופכת למוקד.

Koomey חישב את ה"יעילות השימוש האופיינית "זו על ידי חלוקת מספר הפעולות שבוצעו בשנה האנרגיה הכוללת בשימוש וטוענת שהיא צריכה להחליף את תקן "יעילות השימוש בשיא" ששימש במקור שלו ניסוח.

למרות שניתוח עדיין מתפרסם, בין 2008 ל -2020 צפויה להיות יעילות שימוש אופיינית הוכפל כל 1.5 שנה בערך, והחזיר את חוק קומי לשיעור האופטימלי שנראה כאשר חוק מור היה בו רִאשׁוֹנִי.

אחת ההשלכות של החוק של קומי היא שהמכשירים ימשיכו להקטין את גודלם ויהיו פחות חשמליים. מעבדים מכווצים - אך עדיין מהירים - עשויים בקרוב להיות בעלי עוצמה נמוכה כל כך שהם יוכלו לצייר את האנרגיה שלהם ישירות מהסביבה, כגון חום רקע, אור, תנועה ואחרים מקורות.

למכשירי עיבוד כל כך קיימים יש פוטנציאל לפתח את העידן האמיתי של האינטרנט של הדברים (IoT) ולגרום לסמארטפון שלך להיראות מיושן כמו עצמות הוואקום של שנות ה -40.

עם זאת, כאשר מדענים ומהנדסים מגלים ומיישמים יותר ויותר טכניקות חדשות כדי לייעל את ה"יעילות לשימוש טיפוסי ", החלק הזה מכל צריכת האנרגיה הכוללת של המחשב צפוי לרדת כל כך הרבה שברמות השימוש האופייניות, רק תפוקת השיא תהיה משמעותית מספיק כדי מידה.

שימוש בשיא תפוקה יהפוך שוב לאבן המידה לניתוח יעילות אנרגיה. בתרחיש זה, החוק של קומי יתמודד בסופו של דבר עם אותם חוקי פיזיקה שמאטים את חוק מור.

חוקי הפיזיקה הללו, הכוללים את החוק השני של התרמודינמיקה, פירושם שחוקו של קומי יסתיים בסביבות 2048.

מחשוב קוונטי ישנה הכל

החדשות הטובות הן שעד אז, המחשוב הקוונטי צריך להיות מפותח היטב, עם טרנזיסטורים המבוססים על אטומים בודדים דבר שבשגרה, ודור חדש של חוקרים יצטרך לגלות מערך חוקים אחר כדי לחזות את עתידם מחשוב.

AMD נגד. אינטל: מהו מעבד המשחקים הטוב ביותר?

אם אתה בונה מחשב גיימינג וקרוע בין מעבדי AMD לאינטל, הגיע הזמן ללמוד איזה מעבד מתאים ביותר למתקן המשחקים שלך.

על הסופר