Razbijanje Mooreovog zakona: Kako chipmakers guraju računala na blistering nove razine

Nema dva načina oko njega: računalo se usporava s godinama.

To može biti malo surovo - Računala su brže i manje nego ikad prije, ali performanse procesora jednostavno ne napreduje u prošlom trenutku. U jednom trenutku, 50 do 60 posto skokova u godišnjoj izvedbi bilo je uobičajeno. Sada su poboljšanja od 10 do 15 posto standard.

Srećom, pet i više godina starih računala i dalje se u svakom trenutku mogu uhvatiti u koštac s svakodnevnim zadacima, tako da usporavanje performansi nije ogroman problem. Osim toga, lijepo je što ne morate zamijeniti svoje računalo svake druge godine tijekom niskog gospodarstva. Ali tehnologija ne napreduje pridržavajući status quo. Budućnost treba brzinu !

"Mislim da ne postoji bilo koji ifs ili buts o tome. Heterogene arhitekture su put budućnosti."

Srećom, najveća imena PC procesora nisu zadovoljni status quo-om. Chip makeri rade bijesno kako bi riješili probleme koje je usporio Mooreov zakon i uspon zidova električne energije u pokušaju da pedal dođe do metala.

Pa kakve radikalne trikove imaju na rukama ? Nekoliko različitih vrsta, zapravo - i svaka od njih ima veliki potencijal za budućnost. Pogledajmo iza zastora.

Intel: Izgradnja na ramenima divova

Wikipedia / Wikimedia CommonsChip tranzistor broji se tijekom godina. (Kliknite da biste ga proširili.)

Možemo li upropastiti današnje neobuzdane dobitke za performanse do sloma Mooreovog zakona? Ne baš. Mooreova legendarna linija može se često pogrešno razgovarati o procesnim performansama, ali se pismo Zakona vrti oko broja tranzistora na sklopu udvostručenjem svake dvije godine.

Dok su drugi proizvođači čipova pokušavali smanjiti tranzistore i iscijediti ih više na čip, Intel - tvrtka Moore je bila suzdržana - od svog izričaja zadržala je korak s Mooreovim zakonom, postignuće koje se može postaviti pod noge Intelove male vojske inženjera. Međutim, ne samo inženjeri. Pametni inženjeri.

Budući da tranzistori postaju sve čvršće napunjeni, problemi s toplinom i energetskom učinkovitosti postaju glavni problemi. Sada kada tranzistori dostižu skoro infinitezimalno male veličine, svaki od milijardu plus transistora u čipovima Ivy Bridgea tvrtke Intel veličine 22 nanometara (nm), ili otprilike 0.000000866 inča, osvajajući one bajke, stvara kreativno razmišljanje. "Nema sumnje da to dobiva tvrdi ", rekao je Intelov tehnički menadžer proizvodnje Chuck Mulloy u telefonskom razgovoru. "Stvarno

doista teško, mislim, mi smo na atomskoj razini." Kako bi nastavili napredovati, Intel je napravio neke značajne promjene osnovnog dizajna tranzistora tijekom prošlosti desetljeće. U 2002, tvrtka je najavila da se prebacuje na tzv "napete silicij", što je povećalo performanse čipa od 10 do 20 posto, lagano deformirajući strukturu silikonskih kristala.

Mo 'moć znači mo' probleme, iako. Konkretno, kako se tranzistori i dalje smanjuju, oni pate od povećanog propuštanja elektrona, što ih čini daleko manje učinkovite. Dvije nedavne tweake se bore protiv novih oblika.

Bez previše geekije, tvrtka je počela zamjenom standardnih izolatora silicijevog dioksida u transistorima u korist učinkovitijih "high-k metalnih vrata" izolatora tijekom prebacivanja na 45nm proizvodni proces. Zvuči jednostavno, ali zapravo je bila velika stvar. Nakon toga slijedi još monumentalnija promjena, s uvođenjem tehnologije "tri vrata" ili "3D" tranzistora u Intelovim čipovima Ivy Bridgea.

Slika IntelA uspoređuje protok elektrona kroz planarni (lijevi) i tri- vrata (desno) tranzistora. Elektroni u tri-vrata tranzistora protječe na vertikalnoj ravnini, u usporedbi s ravnim protokom tradicionalnih ravnih tranzistora.

Tradicionalni "planarni" tranzistori imaju par "vrata" na obje strane kanala koji nose elektrone. Tri-vrata tranzistori razbili su taj dvodimenzionalni razmišljanje dodavanjem trećeg vrata preko kanala, povezujući dva bočna vrata. Dizajn poboljšava učinkovitost smanjujući propuštanje dok snizuje snage. Opet, to zvuči jednostavno, ali proizvodnja trodimenzionalnih tranzistora zahtijeva veliku tehničku preciznost. Trenutno je Intel jedini procesor dostave čipova s ​​3D transistorima. Pa što je sljedeće za Intel? Tvrtka ne govori. U stvari, Mulloy kaže da svaka tehnologija koju tvrtka

može upotrijebiti, recimo, proces proizvodnje iznimne ultraljubičaste litografije - ide u PR crnu rupu prije Intelovog uvoda u svoje čipove. Međutim, naglasio je kako prethodna poboljšanja koja se razgovaraju ne zaustavljaju se samo kada se upoznaju s javnošću. "Ljudi imaju tendenciju da misle da je Intel to iskoristio, a sada idu na sljedeću stvar", "Mulloy rekao je. "Napetjeni silicij nije otišao kad smo dodali mogućnosti visokih metalnih vrata. Visoke metalne kanale nisu otišle kad smo išli na tranzitore s tri vrata - još se gradimo i poboljšavamo. na četvrtoj generaciji napunjenog silicija, trećoj generaciji visokih metalnih vrata, a nadolazeći 14nm čips će biti druga generacija tri vrata. " Najbolja čipova tehnologija vani samo postaje sve bolja Oh, a za ono što vrijedi, Intel misli da će Mooreov zakon i dalje biti neumorni za

najmanje

još dva tranzistorska stiska generacija.

AMD: Paralelno računanje sve Ipak Intel nije jedini proizvođač čipova u gradu. Umjesto da se kladimo isključivo na poboljšanja tehnologije tranzistora, suparnik AMD misli da budućnost performansi ovisi o smanjenju CPU-a zbog pomicanja nekih opterećenja drugim procesorima koji bi mogli biti prikladniji za određene zadatke. Grafički procesori, na primjer, dim

preko zadataka koji zahtijevaju mnoštvo istovremenih proračuna, kao što je lozinka prodiranje, Bitcoin mining i mnoge znanstvene namjene.

Jeste li ikada čuli za paralelno računanje? AMD Dizajn AMD APU izgrađenih prema HSA standardima. "Ulazak u manje čvorove na strani tranzistora povećava performanse [CPU] od 6 do 8 do

možda

10 posto, iz godine u godinu ", kaže Saša Marinković, visoki proizvođač tehnologije u AMD-u. "Ali dodavanje GPU-a s GPU računalnim mogućnostima daje mnogo veće dobitke. Primjerice, za Internet Explorer 8 do IE9 povećanje performansi je 400 posto -

četiri puta performanse prethodne generacije, a to je sve zahvaljujući [] "Vidimo da je vrsta skokova izvedbe koja se svira u današnjoj omotnici moći, ili možete uvelike smanjiti omotnicu snage i vidjeti istu izvedbu [koju imate danas]", kaže Marinković. AMD se kreće prema heterogenoj arhitekturi sustava - kao način distribuiranja opterećenja među više procesora na jednom čipu - u svojim popularnim ubrzanim procesorskim jedinicama ili APU-ima, uključujući i onu koja pokreće nadolazeću PlayStation 4 konzolu za igre. APU-ovi sadrže tradicionalne CPU jezgre i veliku Radeonovu grafičku jezgru na istom umu, kao što je prikazano u gornjoj blok dijagramu. CPU i GPU u sljedećim generacijama Kaveri APU-a u AMD-u podijelit će isti bazen memorije, što još više smanjuje linije i nudi još bržu izvedbu. AMD nije jedini proizvođač čipova koji podupire ideju paralelnog računalstva. Tvrtka je bila osnivačica HSA Foundation-a, konzorcija vrhunskih proizvođača čipova - iako Intel i Nvidia - koji rade zajedno kako bi stvorili standarde koji bi trebali nadati da će programiranje za paralelno računanje biti lakše u budućnosti.

Dobra je stvar da vodeće tvrtke pružaju osnovu vizije HSA Foundation, jer kako bi se ostvarila velika heterogena budućnost paralelnog računanja, programi i aplikacije moraju biti posebno napisani kako bi iskoristili prednosti hardvera.

HSA Foundation

"Softver je ključ", priznaje Marinković. "Kada pogledate APU s [puna HSA kompatibilnost] i bez pune HSA, softver će morati promijeniti, ali to će biti promjena za bolje … Gdje želimo doći do je kod-jednom, i koristiti svugdje. imate HSA arhitekturu u svim tim različitim tvrtkama HSA Foundation, nadamo se da ćete moći napisati program za računalo i pokrenuti ga na pametnom telefonu ili tabletu s nekim malim ugađanjem ili kompilacijom. " Već možete pronaći aplikaciju (API) koji omogućuju paralelno GPU računalstvo, kao što su Nvidia GeForce-centrirana CUDA platforma, DirectCompute API pečena u DirectX 11 na sustavu Windows i OpenCL, rješenje otvorenog koda kojim upravlja grupa Khronos. Podrška za hardversko ubrzanje raste među programerima softvera, iako većina programa na neki način obrađuje intenzivnu grafiku. Na primjer, Internet Explorer i Flash su na bandwagonu. Samo prošli tjedan, Adobe je najavio da je dodala OpenCL podršku za Windows verziju Premiere Pro. Prema predstavnicima, korisnici s AMD diskretnom grafičkom karticom ili APU moći će iskoristiti to ubrzanje GPU-a za uređivanje HD i 4K videozapisa u stvarnom vremenu ili izvesti videozapise do 4,3 puta brže od osnovnog nulažuriranog softvera.

"I nemojte misliti da postoji neki ifs ili buts o tome ", kaže Marinković. "Heterogene arhitekture

su

put budućnosti."

OPEL: Tako dugo, silicij, hello, galijev arsenid!

Ali je li ta budućnost temeljena na silikonskoj tehnologiji, kao današnja računalnost?

Definitivno, kratkoročno. Definitivno ne, dugoročno. Negdje u budućnosti - stručnjaci ne znaju točno kada - silicij će dosegnuti svoje granice i jednostavno neće biti moguće gurnuti dalje. Proizvođači čipova morat će se prebaciti na drugi materijal. MITThe view of a indium galium arsenid transistor fabricated by MIT researchers. Taj dan je daleko, ali istraživači već istražuju alternative. Procesori grafena dobivaju mnogo hypea kao potencijalnog silicija, no OPEL Technologies misli da budućnost leži u galijevom arsenidu.

OPEL je uvelike prilagodio tehnologiju galija arsenida u središtu platforme POET (Planar Opto Electronic Technology) više od 20 godina, a tvrtka je surađivala s BAE-om i Ministarstvom obrane SAD-a (među ostalima) da to potvrdi. Dok prošlost procesora u galij arsenidu završava blago razočaranjem, predstavnici OPEL-a kažu kako je njihova vlasnička tehnologija spremna za velike trenutke.

OPEL je tek nedavno izašao iz pozornice za istraživanje i razvoj i nije pokušao izraditi transistorske uređaje na Ivy Bridgeu 20nm veličine, ali tvrtka tvrdi da su kod 800nm ​​procesori galija arsenida brži od današnjih silicija

i

upotrebljavaju otprilike polovicu napona.

"Ako želite uskladiti brzinu današnjih procesora silicija, otprilike brzinom od 3GHz, ne biste trebali ići sve do 20 ili 30 nanometara ", kaže glavni znanstvenik OPEL-a Dr. Geoffrey Taylor. "Heck, vjerojatno biste to mogli pogoditi pri 200 nm." A to koristi planarsku tehnologiju, ne

3D tranzistore. Jedan od najvećih problema bilo kojeg silikon alternativa je da silicij je najsuvremenija tehnologija na svijetu, s milijardima uloženih u proizvodnju silikonskih procesora do maksimalnu učinkovitost. Bit će teško uvjeriti Intel, AMD, ARM i HSA Foundation da ispuste sve za novi materijal. OPEL kaže kako njegova tehnologija ima veliku preklapaju s trenutnim metodama proizvodnje silicija. "Skalabilan je, a to je i za CMOS", kaže izvršni direktor Peter Copetti. "To je vrlo važno. U našim razgovorima s različitim ljevaonicama i tvrtkama poluvodiča, prvo što pitamo je" Moram li zamijeniti svoje objekte? " Investicija ovdje je minimalna jer je naš sustav komplementaran onome što je tamo vani. " OPEL također kaže kako su njezine ploče ponovno iskoristive.

Europska svemirska agencijaEuropska svemirska agencija čista soba za izradu čipova. Međunarodna smjernica tehnologije za poluvodiče identificirala je galijev arsenid kao potencijalnu zamjenu silicija negdje između 2018 i 2026. Još uvijek postoji tona ispitivanja i prijelaza koji će se obaviti prije nego što galij arsenid snimi bilo

glavnog tržišta procesora računala, ali ako se čak i dio OPELovih tvrdnji drži istinitim, njegova tehnologija može vrlo dobro napajati procesore budućnosti.

Pa, barem dok ne ispadamo molekularne tranzistore ili kvantno računanje. Ali to je cijeli članak …

Nastojanje da se sutra pretvori u lice

Dakle, nakon svega toga - imate bolju predodžbu o tome gdje je budućnost performansi računala na čelu. Inicijative Intel, AMD i OPEL svaki nailaze na velike probleme na izuzetno različite načine, ali to je dobra stvar. Uostalom, ne želite sve svoje potencijalne jajaš u jednoj košari. I najbolje od svega, ako svi oni različiti komadi zagonetke performansi računala dokažu uspješnu, oni se mogu teoretski spojiti Voltron-like moda stvoriti uber-moćan, GPU-potpomognuti tri-vrata galij arsenid procesor koji bi mogao otpuhati hlače čak i beefiest od današnjih Core i7 procesora.

Današnja krivulja performansi svibanj spljoštiti, ali budućnost nikada nije izgledao tako

zvijer