Закону Мура исполняется 50 лет на следующей неделе — и это хороший повод пересмотреть классический прогноз Гордона Мура, его взлет до сакрального предсказания за последние 50 лет, а также уточнить, что закон Мура может рассказать нам о будущем вычислительной техники. Наши коллеги с ExtremeTech решили обратиться к почетному доктору наук в области вычислительной техники Кристоферу Маку, чтобы найти ответы на эти вопросы. Было бы странно говорить о будущем закона Мура с ученым, который в шутку предвестил его смерть год назад, но один из отличительных признаков этого «закона» в том, что он несколько раз менялся за последние полвека.

В недавней статье доктор Мак утверждает, что то, что мы называем «законом Мура», на самом деле три разных закона. В первой эпохе, получившей название закон Мура 1.0, акцент был сделан на расширении количества компонентов на одном чипе. Простой пример можно найти в эволюции самого микропроцессора. В начале 1980-х годов подавляющее большинство процессоров могло выполнять только целочисленную арифметику на кристалле. Если бы вы захотели проводить вычисления с плавающей точкой (то есть расчеты с использованием десятичной точки), вам пришлось бы покупать автономный блок со своей распиновкой и разъемом на системной плате.

Некоторые из вас, возможно, также вспомнят, что в первые дни кеша процессора, кеш устанавливался на материнской плате и не был интегрирован в процессор. Термин Front-Side Bus (иногда известен под «фронтальной шиной», которая шла от контроллера северного моста к основной памяти и различной периферии) изначально контрастировал с Back-Side Bus, который шел от кеша процессора к самому процессору. Интеграция этих компонентов на кристалле не всегда сокращала расходы — иногда, конечный продукт был дороже — но существенно повышала производительность.

Закон Мура 2.0 вступил в свои права в середине 1990-х. У закона Мура всегда был тихий партнер — закон масштабирования Деннарда. Последний закон утверждал, что по мере того, как транзисторы уменьшаются, их плотность мощности остается постоянной — то есть меньшие транзисторы будут требовать меньшего напряжения и тока. Если закон Мура установил, что мы можем упаковать больше транзисторов в одну площадь, закон масштабирования Деннарда уточнил, что эти транзисторы должны быть холоднее и потреблять меньше энергии. Именно закон Деннарда привел к тому, что в 2005 году Intel, AMD и другие крупные производители отказались от масштабирования в пользу добавления большего числа ядер процессора и улучшения однопоточной производительности.

С 2005 по 2014 год закон Мура работал — но акцент был сделан на уменьшении затрат путем снижения стоимости каждого дополнительного транзистора. Эти транзисторы могли не работать быстрее своих предшественников, но зачастую были более энергоэффективными и менее затратными в производстве. Как отмечает Мак, большинство улучшений было продиктовано развитием литографических инструментов. Общая стоимость изготовления (на транзистор) падала, тогда как общая стоимость на квадратный миллиметр падала медленнее или оставалась прежней.

Закон Мура 3.0 куда более разнообразен и предполагает интеграцию функций и возможностей, которые исторически вовсе не считались функциями процессора. Стабилизатор напряжения на кристалле от Intel или дальнейшая интеграция схем питания для улучшения характеристик простоя и загрузки процессора могут быть применением закона Мура 3.0 — наряду с некоторыми из функций глубокого обучения NVIDIA или ее стремления переместить технологию обработки камеры в одно ядро.

Доктор Мак указывает на идеи нанореле — крошечных движущихся выключателей, которые могут переключаться не так быстро, как цифровая логика, но не будут требовать энергию, будучи включенными. Будут ли такие технологии интегрированы в конструкции будущих чипов, никто не знает, и непонятно, какие исследования будут стоять за ними. Вполне возможно, что компания будет тратить миллионы, пытаясь улучшить дизайн цифровой логики или адаптировать принципы полупроводников к другим типам конструкций чипа, а в итоге обнаружить, что конечный продукт ненамного лучше предыдущего.

Изменение природы закона Мура

Гордон Мур

Есть аргумент против этого смещения в использовании, который звучит примерно так: закон Мура, в отрыве от реальных слов Гордона Мура, не является законом Мура вовсе. Изменение определения закона Мура превращает его из надежного научного постулата в слащавый маркетинговый термин. И эта критика вполне оправдана. Как тактовая частота, плотность транзисторов, результаты тестов, и закон Мура, в любой форме, подвержен искажениям.

Есть мнение, однако, что все дополнительные слои были добавлены к закону давным-давно. Оригинальная работа Гордона Мура не была опубликована в громкой газете для людей — это был технический документ, который должен был спрогнозировать долгосрочную тенденцию наблюдаемых явлений. Современные производители процессоров по-прежнему сосредоточены на улучшении плотности и сокращении затрат на транзистор, насколько это возможно. Но понятие «закона Мура» быстро перешло от простой констатации тенденций во всеобщую тенденцию, которая регулирует практически каждый аспект вычислительной техники.

Даже эта всеобъемлющая тенденция начала меняться в 2005 году без какой-либо помощи со стороны маркетинга. Во-первых, Intel и AMD сосредоточились на добавлении дополнительных ядер, но это потребовало дополнительной поддержки от поставщиков программного обеспечения и средств управления производительностью. Совсем недавно обе компании сосредоточились на улучшении энергоэффективности и снижении потребления во время простоя, чтобы лучше уместиться в требования к питанию в сфере мобильных технологий. Intel и AMD проделали массу невероятной работы, снизив потребление во время простоя на уровне платформы, но потребление энергии полностью загруженным процессором снижается намного медленнее, и максимальная температура процессора серьезно выросла. Сегодня при полной загрузке у нас температура 80-95 градусов по Цельсию, тогда как десять лет назад она составляла 60-70 градусов. Производители процессоров заслуживают похвал за то, что процессоры вообще работают нормально при таких температурах, но такие изменения были сделаны, потому что закон Деннарда, лежащий в основе закона Мура 2.0, уже не работал.

Даже человек не с головой инженера может понять, что каждая смена определения закона Мура сопровождается глубоким сдвигом в характере передовых вычислительных возможностей. Закон Мура 1.0 дал нам мэйнфрейм и мини-ЭВМ. Закон Мура 2.0 сделал акцент на производительности транзистора и стоимости масштабирования, возглавив эпоху мини-ЭВМ в воплощении настольного ПК и ноутбука. Закон Мура 3.0 с его фокусом на стоимости на уровне платформы и общей системной интеграции подарил нам смартфон, планшет и зарождающийся рынок носимой электроники.

Двадцать лет назад темпы закона Мура разгоняли транзисторы и повышали тактовую частоту. Теперь они позволяют улучшить жизнь батареи, повысить скорость ухода в спящий и активный режим, снизить энергопотребление этих процессов, обеспечивает нас четкими экранами, тонкими формфакторами и да — общей производительностью в некотором смысле, хотя и не так оперативно, как нам хотелось бы. Он остается ключевым понятием, потому что означает нечто гораздо большее, чем просто производительность транзистора или электрические характеристики гейта.

Спустя 50 лет закон Мура стал культурным сокращением для самих инноваций. Когда Intel, или NVIDIA, или Samsung ссылаются на закон Мура в этом контексте, они имеют в виду постоянное применение накопленных за десятки лет знаний и изобретательности в сотнях продуктов. Это своего рода способ признания невероятного сотрудничества, которое начинается на заводе и перетекает в гостиную, старается выжать немного больше из каждой детали, в соответствии с тем, чего хотят пользователи. Маркетинг ли это? Вам решать.

По материалам ExtremeTech