Οι φορητοί υπολογιστές, τα κινητά και τα tablet γίνονται φθηνότερα, πιο κομψά, ισχυρότερα κάθε χρόνο, ενώ η διάρκεια ζωής της μπαταρίας συνεχίζει να μεγαλώνει. Αναρωτηθήκατε ποτέ γιατί συμβαίνει αυτό και αν οι συσκευές μπορούν να συνεχίσουν να βελτιώνονται για πάντα;
Η απάντηση στο πρώτο ερώτημα εξηγείται από τρεις νόμους που ανακάλυψαν οι ερευνητές, γνωστοί ως Νόμος του Μουρ, Κλίμακα Dennard και Νόμος του Koomey. Διαβάστε παρακάτω για να κατανοήσετε τον αντίκτυπο αυτών των νόμων στον υπολογιστή και πού θα μπορούσαν να μας οδηγήσουν στο μέλλον.
Τι είναι ο Νόμος του Μουρ;
Εάν είστε τακτικός αναγνώστης MakeUseOf, πιθανώς γνωρίζετε τον μυθικό Νόμο του Μουρ.
Ο Διευθύνων Σύμβουλος της Intel και ο συνιδρυτής Γκόρντον Μουρ το παρουσίασαν για πρώτη φορά το 1965.
Προέβλεψε ότι ο αριθμός των τρανζίστορ σε ένα τσιπ θα διπλασιαζόταν περίπου κάθε δύο χρόνια και θα γινόταν μεταξύ 20 έως 30 τοις εκατό φθηνότερος για να κάνει κάθε χρόνο. Ο πρώτος επεξεργαστής της Intel κυκλοφόρησε το 1971 με 2.250 τρανζίστορ και εμβαδόν 12 mm
2. Οι σημερινές CPU διαθέτουν εκατοντάδες εκατομμύρια τρανζίστορ ανά χιλιοστό τετραγωνικό.Ενώ ξεκίνησε ως πρόβλεψη, η βιομηχανία υιοθέτησε επίσης τον Νόμο του Μουρ ως οδικό χάρτη. Για πέντε δεκαετίες, η προβλεψιμότητα του νόμου επέτρεψε στις εταιρείες να διαμορφώσουν μακροπρόθεσμες στρατηγικές, γνωρίζοντας ότι, Ακόμα κι αν τα σχέδιά τους ήταν αδύνατα στο στάδιο του σχεδιασμού, ο Νόμος του Μουρ θα παραδίδει τα προϊόντα στο κατάλληλο στιγμή.
Αυτό είχε επιπτώσεις σε πολλούς τομείς, από τα συνεχώς βελτιωμένα γραφικά των παιχνιδιών έως τον αριθμό των megapixel που αυξάνεται σε ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές.
Ωστόσο, ο νόμος έχει διάρκεια ζωής και ο ρυθμός προόδου επιβραδύνεται. Παρόλο που οι chipmakers συνεχίζουν βρείτε νέους τρόπους γύρω από τα όρια των τσιπ σιλικόνης, Ο ίδιος ο Μουρ πιστεύει ότι δεν θα λειτουργεί πλέον στα τέλη αυτής της δεκαετίας. Όμως, δεν θα είναι ο πρώτος νόμος της τεχνολογίας που θα εξαφανιστεί.
Ο Νόμος του Μουρ έχει υπαγορεύσει τον ρυθμό της τεχνολογικής ανάπτυξης εδώ και δεκαετίες. Αλλά τι συμβαίνει όταν επιτευχθούν τα φυσικά όριά του;
Τι συνέβη ποτέ στο Dennard Scaling;
Το 1974, ο ερευνητής της IBM Robert Dennard παρατήρησε ότι, καθώς τα τρανζίστορ συρρικνώνονται, η χρήση ισχύος τους παραμένει ανάλογη με την περιοχή τους.
Η κλιμάκωση του Dennard, όπως έγινε γνωστό, σήμαινε ότι η περιοχή των τρανζίστορ μειώνεται κατά 50 τοις εκατό κάθε 18 μήνες, οδηγώντας σε μια αύξηση ταχύτητας ρολογιού 40%, αλλά με το ίδιο επίπεδο κατανάλωσης ενέργειας.
Με άλλα λόγια, ο αριθμός των υπολογισμών ανά watt θα αυξηθεί με εκθετικό αλλά αξιόπιστο ρυθμό και τα τρανζίστορ θα γίνονται γρηγορότερα, φθηνότερα και θα χρησιμοποιούν λιγότερη ισχύ.
Στην εποχή της κλιμάκωσης του Dennard, η βελτίωση της απόδοσης ήταν μια προβλέψιμη διαδικασία για τους chipmakers. Μόλις πρόσθεσαν περισσότερα τρανζίστορ σε CPU και αύξησαν τις συχνότητες ρολογιού.
Αυτό ήταν επίσης εύκολο για τον καταναλωτή να κατανοήσει: ένας επεξεργαστής που λειτουργεί στα 3,0 GHz ήταν ταχύτερος από αυτόν που εκτελείται στα 2,0 GHz και οι επεξεργαστές συνέχισαν να γίνονται πιο γρήγοροι. Πράγματι, ο διεθνής οδικός χάρτης για τους ημιαγωγούς (ITRS) κάποτε προέβλεπε ότι οι ρυθμοί ρολογιού θα φθάσουν 12GHz έως το 2013!
Ωστόσο, σήμερα, οι καλύτεροι επεξεργαστές στην αγορά έχουν βασική συχνότητα μόλις 4,1 GHz. Τι συνέβη?
Το τέλος της κλιμάκωσης του Dennard
Οι ταχύτητες ρολογιού κολλήθηκαν στη λάσπη γύρω στο 2004 όταν οι μειώσεις στη χρήση ισχύος σταμάτησαν να συμβαδίζουν με το ρυθμό συρρίκνωσης των τρανζίστορ.
Τα τρανζίστορ έγιναν πολύ μικρά και το ηλεκτρικό ρεύμα άρχισε να διαρρέει, προκαλώντας υπερθέρμανση και υψηλές θερμοκρασίες, οδηγώντας σε σφάλματα και ζημιά στον εξοπλισμό. Αυτός είναι ένας από τους λόγους γιατί το τσιπ του υπολογιστή σας έχει ψύκτρα. Η Dennard Scaling είχε φτάσει σε όρια που υπαγορεύονται από τους νόμους της φυσικής.
Περισσότεροι πυρήνες, περισσότερα προβλήματα
Με πελάτες και ολόκληρους κλάδους που είναι εξοικειωμένοι με συνεχείς βελτιώσεις ταχύτητας, οι κατασκευαστές τσιπ χρειάζονται μια λύση. Έτσι, άρχισαν να προσθέτουν πυρήνες στους επεξεργαστές ως τρόπο να συνεχίσουν να αυξάνουν την απόδοση.
Ωστόσο, πολλοί πυρήνες δεν είναι τόσο αποτελεσματικοί όσο απλώς αυξάνοντας τις ταχύτητες ρολογιού σε μονάδες ενός πυρήνα. Τα περισσότερα λογισμικά δεν μπορούν να επωφεληθούν από την πολυεπεξεργασία. Η προσωρινή αποθήκευση μνήμης και η κατανάλωση ενέργειας είναι επιπλέον σημεία συμφόρησης.
Η μετάβαση σε μάρκες πολλαπλών πυρήνων προκάλεσε επίσης την άφιξη του σκοτεινού πυριτίου.
Η σκοτεινή εποχή του πυριτίου
Σύντομα κατέστη προφανές ότι εάν χρησιμοποιηθούν πάρα πολλοί πυρήνες, το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να διαρρεύσει, αναζωπυρώνοντας το πρόβλημα υπερθέρμανσης που σκότωσε την κλιμάκωση του Dennard σε μάρκες ενός πυρήνα.
Το αποτέλεσμα είναι επεξεργαστές πολλαπλών πυρήνων που δεν μπορούν να χρησιμοποιήσουν όλους τους πυρήνες τους ταυτόχρονα. Όσο περισσότεροι πυρήνες προσθέτετε, τόσο περισσότερα τρανζίστορ ενός τσιπ πρέπει να απενεργοποιηθούν ή να επιβραδυνθούν, σε μια διαδικασία γνωστή ως "σκοτεινό πυρίτιο".
Έτσι, παρόλο που ο νόμος του Μουρ συνεχίζει να αφήνει περισσότερα τρανζίστορ να χωρέσουν σε ένα τσιπ, το σκοτεινό πυρίτιο τρώει μακριά στην πραγματική CPU. Επομένως, η προσθήκη περισσότερων πυρήνων καθίσταται άσκοπη, καθώς δεν μπορείτε να τα χρησιμοποιήσετε ταυτόχρονα.
Η διατήρηση του νόμου του Moore με τη χρήση πολλαπλών πυρήνων φαίνεται να είναι αδιέξοδο.
Πώς θα μπορούσε να συνεχιστεί ο νόμος του Μουρ
Μια λύση είναι η βελτίωση της πολυεπεξεργασίας λογισμικού. Η Java, το C ++ και άλλες γλώσσες που έχουν σχεδιαστεί για μεμονωμένους πυρήνες θα δώσουν τη θέση τους σε γλώσσες όπως το Go, οι οποίες είναι καλύτερα να λειτουργούν ταυτόχρονα.
Μια άλλη επιλογή είναι η αύξηση της χρήσης προγραμματιζόμενων από το πεδίο συστοιχιών πύλης (FPGA), ενός τύπου προσαρμόσιμου επεξεργαστή που μπορεί να αναδιαμορφωθεί για συγκεκριμένες εργασίες μετά την αγορά. Για παράδειγμα, ένα FPGA θα μπορούσε να βελτιστοποιηθεί από έναν πελάτη για να χειριστεί βίντεο ενώ θα μπορούσε να προσαρμοστεί ειδικά για να εκτελεί εφαρμογές τεχνητής νοημοσύνης.
Η κατασκευή τρανζίστορ από διαφορετικά υλικά, όπως το γραφένιο, είναι μια άλλη περιοχή που ερευνάται για να συμπιέσει περισσότερη ζωή από την πρόβλεψη του Moore. Και, στην ουσία, ο κβαντικός υπολογιστής μπορεί να αλλάξει εντελώς το παιχνίδι.
Το μέλλον ανήκει στον νόμο του Koomey
Το 2011, ο καθηγητής Jonathan Koomey έδειξε ότι η ενεργειακή απόδοση μέγιστης απόδοσης (η απόδοση ενός επεξεργαστή που λειτουργεί με κορυφαία ταχύτητα) αντηχεί την τροχιά ισχύος επεξεργασίας που περιγράφεται από τον νόμο του Moore.
Ο Νόμος του Koomey παρατήρησε ότι, από τα θηρία κενού της δεκαετίας του 1940 έως τους φορητούς υπολογιστές της δεκαετίας του 1990, οι υπολογισμοί ανά ζάλη ενέργειας διπλασιάστηκαν αξιόπιστα κάθε 1,57 χρόνια. Με άλλα λόγια, η μπαταρία που χρησιμοποιείται από μια συγκεκριμένη εργασία μειώθηκε κατά το ήμισυ κάθε 19 μήνες, με αποτέλεσμα η ενέργεια που απαιτείται για έναν συγκεκριμένο υπολογισμό να μειώνεται κατά 100 φορές κάθε δεκαετία.
Ενώ η κλιμάκωση του Moore's Law και Dennard ήταν εξαιρετικά σημαντική σε έναν κόσμο επιτραπέζιων και φορητών υπολογιστών, ο τρόπος που χρησιμοποιούμε οι επεξεργαστές έχουν αλλάξει τόσο πολύ ώστε η ενεργειακή απόδοση που υπόσχεται ο Νόμος του Koomey είναι πιθανώς πιο σχετική εσύ.
Η υπολογιστική σας ζωή πιθανότατα χωρίζεται σε πολλές συσκευές: φορητούς υπολογιστές, κινητά, tablet και διάφορα gadget. Σε αυτήν την εποχή του πολλαπλασιάζουμε την πληροφορική, η διάρκεια ζωής της μπαταρίας και η απόδοση ανά watt καθίστανται πιο σημαντικές από την συμπίεση περισσότερων GHz από τους επεξεργαστές με πολλούς πυρήνες.
Ομοίως, με το μεγαλύτερο μέρος της επεξεργασίας μας να μεταφέρεται σε τεράστια κέντρα δεδομένων υπολογιστικού νέφους, οι επιπτώσεις στο ενεργειακό κόστος του Νόμου της Koomey παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον για τους τεχνολογικούς γίγαντες.
Ωστόσο, από το 2000, ο διπλασιασμός της ενεργειακής απόδοσης σε ολόκληρη τη βιομηχανία που περιγράφεται από τον Koomey's Law επιβραδύνθηκε λόγω του τέλους της κλιμάκωσης του Dennard και της επιβράδυνσης του νόμου του Moore. Ο νόμος του Koomey παρέχει τώρα κάθε 2,6 χρόνια και κατά τη διάρκεια μιας δεκαετίας, η ενεργειακή απόδοση αυξάνεται κατά μόλις 16, παρά 100.
Μπορεί να είναι πρόωρο να πούμε ότι ο νόμος του Koomey ακολουθεί ήδη τον Dennard και τον Moore στο ηλιοβασίλεμα. Το 2020, η AMD ανέφερε ότι η ενεργειακή απόδοση του επεξεργαστή AMD Ryzen 7 4800H αυξήθηκε κατά έναν παράγοντα 31.7 σε σύγκριση με τους επεξεργαστές του 2014, δίνοντας στον Koomey's Law μια έγκαιρη και ουσιαστική ώθηση.
Σχετιζομαι με: Το νέο M1 Chip της Apple είναι ένα Game Changer: Όλα όσα πρέπει να γνωρίζετε
Επαναπροσδιορισμός της αποτελεσματικότητας για την επέκταση του νόμου του Koomey
Η κορυφαία απόδοση ισχύος είναι ένας μόνο τρόπος αξιολόγησης της απόδοσης υπολογιστών και ένας που μπορεί τώρα να είναι ξεπερασμένος.
Αυτή η μέτρηση είχε πιο νόημα τις τελευταίες δεκαετίες, όταν οι υπολογιστές ήταν λιγοστοί, δαπανηροί πόροι που τείνουν να ωθούνται στα όριά τους από τους χρήστες και τις εφαρμογές.
Τώρα, οι περισσότεροι επεξεργαστές τρέχουν σε κορυφαία απόδοση για ένα μικρό μόνο μέρος της ζωής τους, για παράδειγμα, όταν εκτελούν βιντεοπαιχνίδια Άλλες εργασίες, όπως έλεγχος μηνυμάτων ή περιήγηση στον Ιστό, απαιτούν πολύ λιγότερη ισχύ. Ως εκ τούτου, η μέση ενεργειακή απόδοση γίνεται το επίκεντρο.
Ο Koomey έχει υπολογίσει αυτήν την «απόδοση τυπικής χρήσης» διαιρώντας τον αριθμό των εργασιών που εκτελούνται ανά έτος κατά η συνολική ενέργεια που χρησιμοποιείται και υποστηρίζει ότι θα πρέπει να αντικαταστήσει το πρότυπο «απόδοσης αιχμής» που χρησιμοποιήθηκε στο πρωτότυπο διατύπωση.
Παρόλο που η ανάλυση δεν έχει ακόμη δημοσιευτεί, μεταξύ 2008 και 2020, η απόδοση τυπικής χρήσης αναμένεται να έχει διπλασιαζόταν κάθε 1,5 χρόνια περίπου, επιστρέφοντας τον Νόμο του Koomey στο βέλτιστο ρυθμό που παρατηρήθηκε όταν ο Νόμος του Μουρ ήταν σε αυτό πρωταρχική.
Μια συνέπεια του Νόμου της Koomey είναι ότι οι συσκευές θα συνεχίσουν να μειώνουν το μέγεθος και να γίνονται λιγότερο εντατικές. Οι επεξεργαστές που συρρικνώνονται - αλλά εξακολουθούν να είναι υψηλής ταχύτητας - μπορεί σύντομα να είναι τόσο χαμηλής ισχύος ώστε να μπορούν να σχεδιάσουν την ενέργειά τους απευθείας από το περιβάλλον, όπως η θερμότητα στο φόντο, το φως, η κίνηση και άλλα πηγές.
Τέτοιες πανταχού παρούσες συσκευές επεξεργασίας έχουν τη δυνατότητα να εισάγουν την πραγματική εποχή του Διαδικτύου των πραγμάτων (IoT) και να κάνουν το smartphone σας να μοιάζει τόσο παλιό όσο το κενού με σωλήνες κενού της δεκαετίας του 1940.
Ωστόσο, καθώς οι επιστήμονες και οι μηχανικοί ανακαλύπτουν και εφαρμόζουν όλο και περισσότερες νέες τεχνικές για τη βελτιστοποίηση της «απόδοσης τυπικής χρήσης», αυτό το τμήμα της συνολικής χρήσης ενέργειας ενός υπολογιστή είναι πιθανό να μειωθεί τόσο πολύ που σε επίπεδα τυπικής χρήσης, μόνο η μέγιστη απόδοση θα είναι αρκετά σημαντική ώστε μετρούν.
Η χρήση αιχμής-παραγωγής θα αποτελέσει το κριτήριο για την ανάλυση ενεργειακής απόδοσης για άλλη μια φορά. Σε αυτό το σενάριο, ο νόμος του Koomey τελικά θα συναντήσει τους ίδιους νόμους της φυσικής που επιβραδύνουν τον νόμο του Moore.
Αυτοί οι νόμοι της φυσικής, που περιλαμβάνουν τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, σημαίνουν ότι ο νόμος του Koomey θα λήξει γύρω στο 2048.
Η κβαντική υπολογιστική θα αλλάξει τα πάντα
Τα καλά νέα είναι ότι μέχρι τότε, ο κβαντικός υπολογιστής θα πρέπει να έχει αναπτυχθεί καλά, με τρανζίστορ βασισμένα σε μεμονωμένα άτομα συνηθισμένο, και μια νέα γενιά ερευνητών θα πρέπει να ανακαλύψει ένα ολόκληρο σύνολο νόμων για να προβλέψει το μέλλον χρήση υπολογιστή.
Εάν δημιουργείτε έναν υπολογιστή τυχερών παιχνιδιών και έχετε διαχωριστεί μεταξύ των επεξεργαστών AMD και Intel, ήρθε η ώρα να μάθετε ποιος επεξεργαστής είναι ο καλύτερος για την εξέδρα παιχνιδιών σας.
- Η τεχνολογία εξηγείται
- ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗΣ
- Intel
- Επεξεργαστής AMD
- Ο Νόμος του Μουρ
Ο Joe McCrossan είναι ανεξάρτητος συγγραφέας, εθελοντής τεχνικός αντιμετώπισης προβλημάτων και ερασιτέχνης επισκευαστής ποδηλάτων. Του αρέσει το Linux, ο ανοιχτός κώδικας και κάθε είδους καινοτόμος καινοτομία.
Εγγραφείτε στο Newsletter μας
Εγγραφείτε στο ενημερωτικό δελτίο μας για τεχνικές συμβουλές, κριτικές, δωρεάν ebook και αποκλειστικές προσφορές!
Ένα ακόμη βήμα…!
Επιβεβαιώστε τη διεύθυνση email σας στο email που μόλις σας στείλαμε.
