Что такое закон мура
Немного о «законе Мура»
Согласно «закону Мура», количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, должно удваиваться каждые 24 месяца, а их стоимость – оставаться на одном уровне. Но практически сразу после выдвижения этой гипотезы начались разговоры о «смерти» этого закона – ведь в реальном мире ничто не может расти бесконечно (даже если рост – экспоненциальный).
Во времена появления закона Мура проектирование микропроцессоров действительно происходило в соответствии с этим законом. Но с уменьшением размеров транзисторов технологии для их изготовления становятся всё сложнее и изощрённее. Так, в начале 2000-х тоже казалось, что этой прогрессии приходит конец, но различные технические средства, разрабатываемые в то время, поддерживали «жизнь» закона Мура. Был представлен «растянутый» кремний, обеспечивающий производство 90-нм транзисторов.
Для 45-нм транзисторов были изобретены новые материалы, увеличивающие ёмкость (затвора) каждого транзистора. А трёхмерные транзисторы (tri-gate transistors), изготовленные по технологии 22 нм, только поддержали закон Мура.
Но и эти технологии не могут развиваться вечно. Фотолитография, используемая для производства чипов, работает на пределе своих возможностей: свет с длиной волны в 193 нм используют для создания чипов с элементами размером всего 14 нм. Слишком большую длину волны света можно уменьшить, но это ведёт к ещё более сложному и дорогостоящему производству. Так, возлагались надежды на «экстремальный» ультрафиолет с длиной волны всего в 13,5 нм, но оказалось, что его довольно сложно использовать в производстве.
Даже при использовании ультрафиолета неизвестно, насколько можно уменьшать транзисторы. Ведь при размере в 2 нм их ширина составит всего 10 атомов, и тогда они вряд ли будут надёжно работать. Кроме того, в этом случае перед инженерами встанут проблемы энергопотребления и охлаждения: чем плотнее расставлены транзисторы, тем сложнее доставить к ним энергию и отвести её от них.
Не стоит забывать и про фактор стоимости – конец закону Мура может положить не физика, а экономика.
Большие компании вроде Intel и AMD будут инвестировать миллиарды долларов до тех пор, пока они уверены, что прибыль покроет изначальные вложения. Однако каждый раз, когда транзисторы становятся меньше, их производство становится всё дороже.
Таким образом, в ближайшем будущем может наступить момент, когда «гиганты» не будут финансировать разработку более маленьких транзисторов, так как она попросту не будет рентабельной. И если кто-то вроде Intel перестанет гнаться за уменьшением транзисторов, его примеру последуют и остальные производители, что приведёт к «смерти» закона Мура.
Экономический фактор уже влияет на производство микропроцессоров. Так, Intel планировала переключиться на 10-нм транзисторы в 2016 году с процессорами Cannonlake – уменьшенной версией продаваемого сейчас 14-нм Skylake. Но в июле 2015 она поменяла свои планы. Новое поколение процессоров – Kaby Lake – будет выпущено в третьем квартале 2016 года с использованием 14-нм технологии. Планы на Cannonlake и 10-нм остаются, но выпуск этих процессоров ожидается не раньше второй половины 2017 года.
Все это осложняется тем, что новые транзисторы все сложнее использовать. В 1980-х и 1990-х преимущества от дополнительных транзисторов были очевидны – каждое последующее поколение процессоров было быстрее, и компьютеры того времени получали значительный прирост мощности только за счёт улучшения процессоров. Но такое простое увеличение производительности пошло на убыль в начале 2000-х. Частота процессоров сильно ограничивалась из-за нагрева, а мощность одного процессорного ядра росла относительно медленно. Вместо этого, производители стали делать процессоры с несколькими ядрами: теоретически, это увеличивает мощность процессора.
Все эти сложности говорят о том, что производственные планы компаний скоро перестанут опираться на закон Мура. Издательство Nature пишет, что новый план ITRS также будет использовать другой подход. Сейчас производители чипов нацелены на быстро растущий рынок мобильных устройств. Для них нужны чипы не только с логическим модулем (транзисторами) и кэш-памятью, а также с модулями оперативной памяти, регуляции энергопотребления, аналоговыми компонентами для GPS, сотовой связи, Wi-Fi и так далее. Все эти модули сейчас создаются в разных технологических процессах, и для производителей чипов более актуальна интеграция старых и разработка новых технологий построения таких составных микропроцессоров, чем очередное удвоение количества логических транзисторов.
И всё-таки новые технологии ещё могут дать шанс закону Мура. Текущая технология производства микросхем (КМОП), использующая кремний, может быть заменена чем-то другим, в том числе и в 7-нм транзисторах Intel. Более перспективные (по сравнению с кремнием) материалы: антимонид индия (InSb) и арсенид галлия-индия (InGaAs), а также (возможно) углерод, как в форме нанотрубок, так и в форме графена.
Если делать какие-то прогнозы, то в будущем закон Мура не исчезнет полностью. Использование нестандартных материалов может вернуть эту шкалу в строй. Достаточно большой прорыв может пробудить спрос на процессоры, которые попросту быстрее, а не меньше или дешевле.
Но сейчас, когда мы не можем точно сказать о грядущих прорывных инновациях, срок действия закона Мура (в его «последней редакции») подходит к концу. И в этом нет ничего катастрофического: производителям микросхем открываются новые рынки вроде мобильных устройств и машин для дата-центров. Поэтому, даже если закон Мура и «умрёт», это не сильно скажется как на жизни обывателя, так и на жизни производителя.
Материалы по теме из нашего блога на Хабре:
Что такое закон Мура простыми словами
Наиболее известное правило в мире высоких технологий – наблюдение, или закон Мура, гласит: каждые два года количество транзисторов на чипе увеличивается вдвое. Владельцы компьютеров могут вспомнить свои первые ПК, сравнить их с существующими современными моделями. Новое устройство всегда компактнее и мощнее предыдущего: согласно закону Мура, каждые 24 месяца количество чипов на интегральной схеме также увеличивается в два раза.
Этой формуле более 50 лет, она стала основной концепцией для создания современной техники, но, согласно подсчетам, закон Мура не вечен.
Идейный вдохновитель: кто он, Гордон Мур
Гордон Мур родился в Сан-Франциско, получил степень бакалавра химии и вместе с друзьями покинул престижную практику в лаборатории Уильяма Шокли ради возможности работы с кремниевыми транзисторами. Так началась карьера Гордона Мура, одного из основателей Intel. В 1968 году трое друзей работали над интегральной схемой, которая станет основой для современных ПК.
Так была создана Intel – корпорация, ставшая лидером в технологической индустрии. Гордон Мур более 15 лет занимал место генерального управляющего компании и более 30 (и по настоящее время) – должность председателя совета директоров.
История
Спустя 6 лет после разработки интегральной схемы, в 1965 году, Мур обнаружил закономерность: через год после выпуска микросхемы появлялся новый тип чипа с увеличивающимся вдвое количеством транзисторов на нем. Проанализировав тенденцию, инженер пришел к выводу, что мощность вычислительной техники растет по экспоненте (т.е. с высокой скоростью). Описанное наблюдение называется законом Гордона Мура.
Через 10 лет, в 1975 году, ученый внес поправку в свое наблюдение: увеличение количества транзисторов происходит каждые два года, а не через 12 месяцев.
В 2007 году Мур признал, что вскоре закон утратит свою силу так как есть предел темпа развития технологий.
Что такое закон Мура
Формулу на всех этапах работы используют инженеры или специалисты, имеющие отношение к разработке электроники. Для обывателя суть закона Гордона Мура такова: производительность и вычислительная мощность ПК увеличивается в два раза каждые пару лет.
Каждый замечал, насколько быстро устаревает техника, а стоимость новой увеличивается, но незначительно. Такая тенденция объясняется законом Мура и его влиянием на технологический прогресс.
Вариации на тему: Интерпретации наблюдений
Обратная интерпретация: наиболее целесообразное количество транзисторов на чипе возрастает вдвое каждый год.
Стоит отметить, что закон Гордона Мура не исполняется в точности, поэтому его нельзя называть эмпирическим опытом в строгом смысле этих понятий.
Антизакон
Очень немногие инженеры слышали об обратной закону гипотезе. Темп прогресса постоянен, по сравнению с увеличивающимся по экспоненте количеством исследователей.
Анализ с помощью построения графиков учеными Стэнфорда помог сформулировать Антизакон. Формулируется он так: производительность работы исследователей и разработчиков электроники за последние полвека снизилась почти в 20 раз. В задачи, требовавшие в 1971 году привлечения 1 тыс. ученых, в 2019 г. задействованы более 20 тыс. человек.
В масштабе глобальной экономики можно заметить работу антизакона Мура. При сравнении общей производительности населения развитой страны и производительности исследователей возникнет вывод, что ученые, жившие век назад, были в 25 раз продуктивнее разработчиков 21 века. Причиной этого безумия стала возрастающая сложность поставленных задач. С каждым годом делать научные открытия и прорывы все сложнее, и для этого вовлекают все больше специалистов. Возникает тотальная проблема дефицита IQ, решать которую, возможно придется с помощью замены человека искусственного интеллекта (ИИ).
Элизер Юдковски – исследователь ИИ, вывел следствие Закона Мура для «безумия» науки: раз в 18 месяцев необходимый для уничтожения человечества минимальный IQ уменьшается на 1 балл.
Статистическая проверка
Подтвердить или опровергнуть закон Мура можно с помощью анализа официальных данных Intel. Производительность работы процессоров увеличивается вдвое каждые 20 месяцев с 2010 года. В 2000-2010 гг. параметр эффективности удваивался медленнее – примерно каждые 23 месяца.
До 1995 года тактовая частота увеличивалась раз в 36 месяцев, с 2010 года показатель возрастает через каждые 25 месяцев.
Оба случая показывают разброс от заявленного темпа примерно в 1,5 раза. Поэтому ученые утверждают, что закон Мура перестал работать. Примечательно, что, вопреки опасениям автора о спаде темпа развития технологии, увеличение производительности, а также компактности микропроцессоров увеличивается. В такой трактовке можно утверждать, что скорость технологического прогресса опережает гипотезу Мура и осуществляется быстрее экспонентного темпа.
Влияние закона Мура
Последние 50 лет направление и темп развития электроники определялись законом Мура. С помощью этой гипотезы ученые стремятся вычислить темп развития ОП компьютеров, мощность и вычислительную скорость устройств.
Большинство разработчиков ориентируется на эту гипотезу, работа планируется с учетом данного наблюдения. Производители и продавцы точно прогнозируют срок выпуска обновленных процессоров и программного обеспечения.
Следствия закона Мура
Один из инвесторов Intel, Артур Рок, сформировал экономическое следствие закона Мура.
Каждые 4 года стоимость основных фондов, которые используются для производства полупроводников, увеличивается вдвое.
Параллелизм и закон Мура
Чтобы применить наблюдение основателя Intel, инженеры используют в работе принцип параллельных вычислений. Это означает, что разработка программного обеспечения и элементов проводится синхронно. Тогда каждый созданный элемент становится частью единой системы компьютера.
Такой способ организации программирования повышает темп развития многоядерных архитектур (принципов работы и построения ПК на 2 и более ядрах), число системных ошибок при этом уменьшается. Программное обеспечение и элементы устройств должны развиваться параллельно.
Для увеличения производительности и прибыли программы должны развиваться и обновляться одновременно с физическими носителями (чипами, транзисторами).
Распространение закона Мура
Инженеры Intel применяют наблюдение своего основателя практически во всех секторах собственного производства. Число транзисторов увеличивается вдвое, а вместе с этой цифрой растет уровень интеграции устройств и сложность структуры ПК в целом.
Закон Мура позволяет предсказать, когда потребуется создание принципиально новых технологических систем, как это произошло с использованием оптоволокна.
У разработчиков появляется возможность и время для формирования новых устройств и технологий в соответствии с запросом потребителей.
Изменение природы закона Мура
Наблюдение основателя Intel в течение 20 лет задавало темп разработки транзисторов и скорость тактовой частоты.
Сейчас закон Мура позволяет улучшить характеристики аккумуляторов ПК, смартфонов, снизить энергопотребление и улучшить производительность в целом. В электронике эта гипотеза является основной идеей в разработке каждого элемента. Спустя полвека закон Мура стал символом инноваций в культуре. В этом контексте наблюдение Гордона Мура олицетворяет использование накопленных знаний.
Когда закон Мура перестанет работать
Пользователям и разработчикам не стоит забывать, что основатель Intel, выводя собственный закон, не принимал в расчет фундаментальные положения физики и математики.
Чтобы наблюдение Мура продолжало действовать, производителям каждые два года нужно создавать способы уменьшения транзисторов без потери эффективности.
Такой процесс не длится бесконечно, так как существует физический предел для элементов. В расчетах ученые могут применять понятие бесконечно малого, но в реальном мире это невозможно.
При размере транзистора в несколько атомов в элементе начнутся квантовые изменения, то есть бесконтрольное движение электронов, что сделает транзисторы неэффективными.
Начиная с 2010 года, следование закону Мура перестало быть выгодным для разработчиков. На его соблюдение нужно тратить множество ресурсов: материалы, оборудование, увеличение штата и проч. На 2019 год закон Мура не работает эффективно, эра кремниевых транзисторов завершится предположительно до 2030 года.
Вместо заключения
Закон Мура стал импульсом для развития программного обеспечения и устройств. Но физические ограничения не позволят использовать эту гипотезу бесконечно. Спустя десятилетие человечество увидит новые вычислительные системы, оптоволокно станет основным материалом для процессоров.
В стремлении обойти закон Мура производители создают чипы, алгоритмы работы которых, по сравнению с ныне существующими, покажутся магией.
Закон Мура
Ученые из Австралии смогли создать транзистор на основе одного атома на восемь лет раньше, чем это возможно согласно легендарному закону Мура, который мировая ИТ-индустрия десятилетия принимала за аксиому.
Содержание
1965: Мур формулирует предположение
Закон Мура — эмпирическое наблюдение, сделанное в 1965 году (через шесть лет после изобретения интегральной схемы), в процессе подготовки выступления Гордоном Муром (одним из основателей Intel).
Зависимость числа транзисторов на кристалле микропроцессора от времени. Обратите внимание, что вертикальная ось имеет логарифмическую шкалу, то есть кривая соответствует экспоненциальному закону — количество транзисторов удваивается примерно каждые 2 года.
Мур высказал предположение, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые 24 месяца. При анализе графика роста производительности запоминающих микросхем им была обнаружена закономерность: появление новых моделей микросхем наблюдалось спустя примерно одинаковые периоды (18—24 мес.) после предшественников, при этом количество транзисторов в них возрастало каждый раз приблизительно вдвое. Гордон Мур пришел к выводу, что при сохранении этой тенденции мощность вычислительных устройств за относительно короткий промежуток времени может вырасти экспоненциально.
По поводу эффектов, обусловленных законом Мура, в журнале «В мире науки» как-то было приведено такое интересное сравнение:
«Если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как промышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолёт Boeing 767 стоил бы 500 долл. и совершал облёт земного шара за 20 минут, затрачивая при этом пять галлонов (
18,9 л) топлива. Приведенные цифры весьма точно отражают снижение стоимости, рост быстродействия и повышение экономичности ЭВМ». — Журнал «В мире науки» (1983, № 10)[3] (русское издание «Scientific American»)
В 2007 году Мур заявил, что закон, очевидно, скоро перестанет действовать из-за атомарной природы вещества и ограничения скорости света.
Одним из физических ограничений на миниатюризацию электронных схем является также Принцип Ландауэра, согласно которому логические схемы, не являющиеся обратимыми, должны выделять теплоту в количестве, пропорциональном количеству стираемых (безвозвратно потерянных) данных. Возможности по отводу теплоты физически ограничены.
Параллелизм и закон Мура
В последнее время, чтобы получить возможность задействовать на практике ту дополнительную вычислительную мощность, которую предсказывает закон Мура, стало необходимо задействовать параллельные вычисления. На протяжении многих лет, производители процессоров постоянно увеличивали тактовую частоту и параллелизм на уровне инструкций, так что на новых процессорах старые однопоточные приложения исполнялись быстрее без каких либо изменений в программном коде. Сейчас по разным причинам производители процессоров предпочитают многоядерные архитектуры, и для получения всей выгоды от возросшей производительности ЦП программы должны переписываться в соответствующей манере. Однако, по фундаментальным причинам, это возможно не всегда.
2012: Опровержение закона Мура
С 1954 года, когода научный сотрудник Texas Instruments Джордж Тиль (George Teal) создал первый кремниевый транзистор, инновационные решения позволили постепенно уменьшать и уменьшать размер этих электронных компонентов, что привело к созданию компьютеров и мобильных устройств современного типа.
Одно устройство может содержать миллиарды транзисторов, которые работают вместе для выполнения простых двоичных вычислений. Чем больше транзисторов находится на единицу площади, тем быстрее производятся расчеты и тем больше информации компьютеры могут обработать и сохранить, одновременно затрачивая меньше энергии.
В прошлом уже были созданы одноатомные транзисторы. Но к сегодняшнему дню в их использовании была достигнута погрешность в 10 нанометров (нанометр равен одной миллиардной метра). Но для одноатомного транзистора, чтобы он мог использоваться в реальных устройствах, требуется расположение одного атома точно на кремниевом чипе. По данным журнала о нанотехнологиях Nature Nanotechnology, именного этого и удалось достичь исследователям.
Они использовали сканирующий туннельный микроскоп (устройство, которое позволяет исследователям видеть атомы и обеспечить точность манипуляций с ними) ученые проделали узкий канал в кремниевой базе. Затем был применен газ фосфин, с помощью которого был помещен отдельный атом фосфора между двумя электродами в нужной области. Когда электрический ток проходит через такое устройство, оно усиливает и передает электрический сигнал, что и является основным принципом работы любого транзистора.
Так что достижение ученых из Австралии приблизило человечество еще на один шаг к созданию квантовых компьютеров. Удивительно также и то, что команда бросила вызов закону Мура (основывается на публикации Гордона Мура (Gordon Moore) в журнале Electronics Magazine в 1965 году). Согласно этому закону, число транзисторов, размещающихся на одной схеме, удваивается каждые 18-24 месяцев. Так что, по прогнозам Мура, одноатомные транзисторы должны появиться не раньше 2020 года. Однако это произошло на 8 лет раньше.
Мишель Симмонс (Michelle Simmons), директор ARC Centre for Quantum Computation and Communications и глава исследовательской группы, заявил: «Мы решили 10 лет назад, что создадим одноатомный транзистор так быстро, как это будет возможно, и тем самым опровергнем этот закон. И вот мы сделали это в 2012 году».
Однако до реального использования таких транзисторов пройдет еще 15-20 лет. Дело в том, что работающий образец функционирует только при температуре минус 391 градус в пределах лаборатории, так что является всего лишь доказательством концепции.
2015: Intel верит в дальнейшее соблюдение закона Мура
На конференции International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), которая с 22 по 26 февраля 2015 года прошла в Сан-Франциско, участники полупроводниковой отрасли рассказали о своих достижениях и планах в части освоения «тонких» технологических норм. Добраться до 10 нм чипмейкеры смогут при помощи нынешних технологий, но дальнейшее развитие осложнится, поэтому производителям потребуются новые решения. [1]
По словам ведущего специалиста Intel Марка Бора (Mark Bohr), несмотря на всеобщую борьбу с растущими расходами на полупроводниковые пластины, компания продолжает увеличивать в микросхемах плотность транзисторов и снижать себестоимость каждого из них, и делает это быстрее в случае с 14 нм по сравнению с предыдущими технологиями. Эти темпы сохранятся на 10 и 7 нм шаге за счет масштабирования, позволяющего повысить степень интеграции и удешевить стоимость одного транзистора, заявил Бор.
Intel уверена, что стоимость транзисторов будет по-прежнему снижаться по мере освоения передовых техпроцессов
Стоит отметить, что Intel начала 14-нм производство с запозданием примерно на 6-9 месяцев относительно планируемых сроков. Несмотря на это американская корпорация опередила конкурентов, и к концу февраля 2015 года лишь она предлагает 14-нм процессоры, а TSMC, Samsung и GlobalFoundries только-только приноравливаются к выпуску 16-нм продукции с сохранением 20-нм геометрии в металлических слоях.
Intel обещает коммерческое освоение 10-нм техпроцесса в 2016 году и планирует использовать 7-нм технологию в 2018-м. Еще через два года компания рассчитывает на переход к 5 нм.
Сделать это без инноваций будет трудно. Они обязательно появятся, поскольку именно так было в последние годы, уверен Марк Бор, ссылаясь на закон Мура, предполагающий, что вычислительная мощность удваивается каждые 24 месяца.
При освоении передовых проектных норм Intel, возможно, будет применять упаковку чипов типа 2,5D (слои помещаются рядом друг с другом) и 3D (слои располагаются поверх друг друга). При этом корпорация продолжает поиск новых эффективных с точки зрения себестоимости решений.
Глава полупроводникового подразделения Samsung Кинам Ким (Kinam Kim) заявил, что CMOS-транзисторы теоретически можно уменьшить до норм 3-5 нм. Вместе с тем топ-менеджер согласился с тем, что технологии ниже 10 нм требуют новых подходов.
2019: Скорость развития ИИ опережает закон Мура
В конце декабря 2019 года Стэнфордский университет обнародовал результаты исследования, согласно которому вычислительная мощность искусственного интеллекта уже более семи лет опережает закон Мура. Подробнее здесь.
Конец эпохи закона Мура и как это может повлиять на будущее информационных технологий
О том, что собой представляет так называемый Закон Мура на Geektimes, наверное, рассказывать в подробностях не стоит — все мы знаем о нем, хотя бы и приблизительно. Если вспомнить кратко, то этот закон — эмпирическое наблюдение, которое сделано Гордоном Муром. Формулировок самого закона было несколько, но современная гласит, что количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца. Чуть позже появилась разновидность закона, где фигурирует не два года, а 18 месяцев. Это связано уже не с Муром, а с Давидом Хаусом из Intel. По его мнению, производительность процессоров должна удваиваться каждые 18 месяцев из-за одновременного роста как количества транзисторов, так и быстродействия каждого из них.
Со времени формулировки закона разработчики электронных элементов стараются шагать в ногу с установленными временными рамками. Вообще говоря, для 1965 года закон был чем-то необычным, его даже можно назвать радикальным. Тогда «мини ЭВМ» все еще не были очень уж маленькими, занимая в помещении объем обычного рабочего стола, а то и больший. В то время сложно было представить, что компьютеры со временем могут даже стать частью холодильника, стиральной машины или другой бытовой техники. Большинство людей никогда не видели компьютер, а те, кто видели, почти никогда с ними не работали. Ну а те, кто работали, использовали перфокарты и другие не слишком удобные инструменты взаимодействия с ЭВМ, которые, в свою очередь, работали для решения достаточно узкого круга задач.
Над идеей Мура после того, как о ней стало известно, начали даже подшучивать в журналах. Например, в одном из них разместили вот такую вот карикатуру:
Тогда было сложно представить, что вскоре даже такие компьютеры вовсе не будут считаться маленькими. Иллюстрацию, кстати, видел Мур, и она его очень удивила своей оригинальностью. Насколько можно судить, художник пытался передать несколько скептический настрой в отношении идеи постоянного уменьшения размеров ПК. Но через 25 лет эта иллюстрация стала вполне себе обыденной реальностью.
Влияние Закона Мура
Как уже говорилось выше, существует несколько вариаций Закона Мура, речь не идет только лишь о постоянном увеличении числа транзисторов в чипе. Одно из последствий идеи Мура — попытка выяснить, насколько быстро будут работать все уменьшающиеся по размеру транзисторы. Также ученые и специалисты по информационным технологиям, используя идею Мура, пытались и пытаются предзаказать, насколько быстро будет расти объем ОЗУ, основной памяти, насколько производительными будут чипы и т.п.
Но главное — не в том, какая из версий Закона Мура более любопытна/полезна, а в том, какое влияние основная идея оказала на наш мир. Здесь можно выделить три основные формы влияния. Это соперничество разработчиков, прогнозирвание и изменение архитектуры вычислительных систем.
Закон Мура можно использовать для того, чтобы выяснить, сколько информации можно хранить в объеме одного чипа. Этот закон, кстати, вполе можно отнести к RAM. На заре компьютерной техники, вернее, ПК, компьютерный чип мог хранить 
. Сами чипы стали называть RAM (Random Access Memory). Чипы с 16К стали выпускать многие. Затем, в полном соответствии с законом Мура или даже быстрее, появились чипы с 64 К. Инженеры, которые разрабатывали эти чипы, знали о Законе и старались ему соответствовать. Таким образом, с самого начала наладился особенный, безостановочный цикл производства, когда инженеры, выпуская один чип, уже заканчивали работать над его следующим поколением. Такая ситуация наблюдается и сейчас. Все знают о правилах и игры, и все в ней участвуют.
Зная о тенденции увеличения числа транзисторов в объеме чипа (а формула изначально была достаточно четкой) инженеры любой из компаний, выпускающих электронные компоненты, могли примерно представить себе, когда какое поколение чипов выйдет. И это был довольно точный прогноз. Также можно было себе представить, в каком году и с какой производительностью будет работать процессор.
Инженеры на предприятиях стали составлять производственные планы, ориентируясь, в основном, на Закон Мура. Продавцы компьютерной техники хорошо представляли себе, когда какое поколение машин должно уйти с рынка, и когда какое должно появиться.
Закон Мура, можно сказать, наладил производственный процесс выпуска электронных компонентов и систем. Сюрпризов в этом плане не было, да и быть не могло, ведь все работали примерно с одинаковой скоростью, не пытаясь обогнать или отстать от временных рамок, заданных Муром. Все было превосходно предсказуемым.
Архитектура ПК и элементов
Все тот же Закон Мура позволил инженерам разработать дизайн чипов, который стал на долгое время эталоном. Речь идет об Intel 4004 и его последующих инкарнациях. Была разработана специализированная архитектура, которая получила название архитектура фон Неймана.
В марте 1945 года принципы логической архитектуры были оформлены в документе, который назывался «Первый проект отчёта о EDVAC» — отчет для Баллистической Лаборатории Армии США, на чьи деньги осуществлялась постройка ЭНИАКа и разработка EDVACа. Отчет, поскольку он являлся всего лишь наброском, не предназначался для публикации, а только для распространения внутри группы, однако Герман Голдстайн — куратор проекта со стороны Армии США — размножил эту научную работу и разослал её широкому кругу ученых для ознакомления. Так как на первой странице документа стояло только имя фон Неймана[1], у читавших документ сложилось ложное впечатление, что автором всех идей, изложенных в работе, является именно он. Документ давал достаточно информации для того, чтобы читавшие его могли построить свои компьютеры, подобные EDVACу на тех же принципах и с той же архитектурой, которая в результате стала называться «архитектурой фон Неймана».
После завершения Второй Мировой войны и окончания работ над ЭНИАКом в феврале 1946 года команда инженеров и ученых распалась, Джон Мокли, Джон Экерт решили обратиться в бизнес и создавать компьютеры на коммерческой основе. Фон Нейман, Голдстайн и Бёркс перешли в Институт перспективных исследований, где решили создать свой компьютер «IAS-машина», подобный EDVACу, и использовать его для научно-исследовательской работы. В июне 1946 года они[2][3] изложили свои принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства». С тех пор прошло более полувека, но выдвинутые в ней положения сохраняют свою актуальность и сегодня. В статье убедительно обосновывается использование двоичной системы для представления чисел, а ведь ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде. Авторы продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации — текстовую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.
Все основы, которые были заложены несколько десятков лет назад и стали основой. В дальнейшем почти все оставалось неизменным, разработчики лишь старались сделать компьютеры все более производительными.
Стоит помнить, что в основе всего лежит Закон Мура. Все его инкарнации служили поддержкой базовой модели развития компьютерной техники, и уже мало что могло привести к разрыву этого цикла. И чем активнее шло развитие компьютерной техники, тем глубже, можно сказать, увязали в законе разработчики этих систем. Ведь создание иной архитектуры ЭВМ занимает годы и годы, и мало кто из компаний мог себе позволить эту роскошь — поиск альтернативных путей развития компьютерной техники. Научно-исследовательские организации вроде МИТ проводили храбрые эксперименты вроде Lisp Machine и Connection Machine, здесь же можно упомянуть и один из японских проектов. Но все это закончилось ничем, в ходу осталась архитектура фон Неймана.
Работа инженеров и программистов теперь заключалась в оптимизации работы своих программ и «железа», с тем, чтобы каждый квадратный миллиметр чипов работал все более эффективно. Разработчики соревновались в кэшировании все больших объемов данных. Также различные производители электронных компонентов старались (и стараются до сих пор) разместить как можно большее количество ядре в рамках одного процессора. Как бы там ни было, вся работа сосредоточилась на ограниченном количестве процессорных архитектур. Это X86, ARM и PowerPC. Тридцать лет назад их было гораздо больше.
X86 используются преимущественно на десктопах, ноутбуках и облачных серверах. ARM процессоры работают на телефонах и планшетах. Ну а PowerPC в большинстве случаев используются в автомобильной индустрии.
Интересным исключением из жестких правил игры, установленных Законом Мура, можно назвать GPU. Их разрабатывали для того, чтобы с высокой степенью эффективности обрабатывать графическую информацию, поэтому их архитектура отличается от процессорной (еще бы). Но для того, чтобы справляться со своей задачей, GPU пришлось дорабатывать независимо от эволюции процессоров. Архитектуру видеокарт оптимизировали для обработки большого количества данных, необходимых для прорисовки изображения на экране. Поэтому здесь инженеры разработали иной тип чипов, который не заменил существующие процессоры, а дополнил их возможности.
Когда закон Мура перестанет работать?
В обычном смысле он уже перестал работать, в том классическом понимании, о котором шла речь выше. Об этом свидетельствуют различные источники, включая, например, этот. Сейчас гонка еще продолжается. Например, в том же выпущенном 1971 году первом коммерческом 5-х битном процессоре Intel 4004 было 2300 транзисторов. Через 45 лет, в 2016 году, компания Intel представила 24-ядерный процессор Xeon Broadwell-WS с 5,7 млрд транзисторов. Этот процессор выпускается по 14 нм технологии. IBM не так давно анонсировала 7 нм процессор с 20 млрд транзисторов, а затем и 5 нм процессор с 30 млрд транзисторов.
Но 5 нм — это слой толщиной всего в 20 атомов. Здесь уже инженерия подступает вплотную к техническому пределу дальнейшего совершенствования техпроцесса. Кроме того, плотность размещения транзисторов в современных процессоров очень велика. На квадратный миллиметр — 5 или даже 10 миллиардов транзисторов. Скорость передачи сигнала в транзисторе очень высока и меет большое значение. Частота ядра работы современных наиболее быстрых процессоров составляет 8.76 ГГц. Дальнейшее ускорение тоже хотя и возможно, но является технической проблемой, причем очень и очень большой. Именно поэтому инженеры предпочли создавать мультиядерные процессоры, а не продолжать наращивать частоту работы одного ядра.
Это позволило сохранить темпы увеличения количества операций за секунду, предусмотренных законом Мура. Но все же сама мультиядерность это некоторое отступление от закона. Тем не менее, ряд специалистов считает, что не имеет значения, каким образом мы пытаемся «успеть», главное, что темпы развития технологий, в частности, компьютерной техники, более-менее соответствуют закону Мура.
Ниже показан график, построенный Стивом Джурветсоном, сооснователем компании Draper Fisher Jurvetson. Он утверждает, что это дополненный график, ранее представленный Рэем Курцвейлом.
На этом графике показана относительная стоимость количества операций на единицу времени (1 секунда). То есть мы можем наглядно видеть, насколько подешевели компьютерные вычисления с течением времени. Причем вычисления становились все более универсальными, если так можно выразиться. В 40-х годах существовали специализированные машины, предназначенные для взлома военных кодов. В 1950-х ЭВМ стали использовать для работы с общими задачами, и эта тенденция сохраняется до сих пор.
Интересно то, что на графике последние две позиции — это GPU, GTX 450 и NVIDIA Titan X. Что интересно — в 2010 году на графике не было никаких GPU, лишь мультиядерные процессоры.
В общем, GPU уже здесь, и многие ими довольны. Кроме того, сейчас все популярнее становится такое направление, как глубокое обучение, одно из проявлений нейросетей. Их разработкой занимаются многие компании, большие и маленькие. И GPU идеально подходят для нейросетей.
К чему все это? Дело в том, что общий рост количества вычислений пока сохраняется, да, но вот методы и оборудование меняются.
Что все это значит?
Сейчас меняется сама форма компьютерных вычислений. Архитекторам вскоре не нужно будет думать о том, что еще предпринять, чтобы успеть за законом Мура. Сейчас постепенно внедряются новые идеи, которые позволят достичь высот, недоступных обычным компьютерным системам с традиционной архитектурой. Возможно, в скором будущем скорость вычислений будет иметь не такое и большое значение, улучшить производительность систем можно будет иначе.
Сейчас многие нейросети зависят от GPU. Для них создаются системы со специализированной архитектурой. Например, корпорация Google разработала собственные чипы, которые получили название TensorFlow Units (илиTPUs). Они позволяют сохранять вычислительные мощности за счет эффективности производимых вычислений. Корпорация Google использует эти чипы в своих дата-центрах, на их основе работают многие облачные сервисы компании. В результате эффективность работы систем выше, а потребление энергии — ниже.
В обычных мобильных устройствах сейчас работают ARM-процессоры, которые являются специализированными. Эти процессоры обрабатывают информацию, поступающую с камер, оптимизируют обработку речи, в режиме реального времени работают с распознаванием лиц. Специализация во всем — вот, что ожидает электронику.
Да, свет клином не сошелся на архитектуре фон Неймана, сейчас разрабатываются системы с разной архитектурой, предназначенной для выполнения разных задач. Эта тенденция не только сохраняется, но даже ускоряется.
Безопасность компьютерных систем
Киберпреступники становятся все более умелыми, при взломе некоторых систем сейчас можно получить миллионы, десятки миллионов долларов. Но в большинстве случаев взломать систему можно из-за программных или аппаратных ошибок. Подавляющее количество приемов, используемых взломщиками, работают на системах с архитектурой фон Неймана, но они не будут работать с другими системами.
Так называемые квантовые компьютеры — экспериментальная технология, которая, кроме всего прочего, является еще и очень дорогой. Здесь используются криогенные элементы, плюс много всего другого, чего нет в обычных системах. Квантовые компьютеры абсолютно не похожи на привычные нам ЭВМ, и закон Мура к ним никак не применим. Тем не менее, с их помощью, как считают специалисты, можно радикально повысить производительность некоторых типов вычислений. Возможно, именно закон Мура привел к тому, что ученые и инженеры начали искать новые способы повышения эффективности вычислений, и нашли их.
В качестве послесловия
Скорее всего уже через 5-10 лет мы увидим абсолютно новые системы вычислений, речь сейчас о полупроводниковой технике. Эти системы будут опережать наши самые смелые планы и развиваться очень быстрыми темпами. Скорее всего, специалисты, стремясь обойти закон Мура, создадут новые технологии разработки чипов, которые, если бы о них нам рассказали сейчас, показались бы нам магией. Что сказали бы люди, жившие 50 лет назад, если бы им дали современный смартфон? Мало кто понял бы, как все работает. Так и в нашем случае.