?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry Поделиться Next Entry
В сумерках "закона Мура"
trim_c

Этот материал я нашел на сайте  . Информация в общем вполне ожидаемая, но разобран вопрос довольно дотошно.


На традиционной Международной выставке потребительской электроники (CES), проходившей с 5 по 8 января в Лас Вегасе, гиганты микроэлектроники — Intel и AMD — представили новые архитектуры процессоров Kaby Lake и Zen.

Релиз в Лас-Вегасе принес одну знаковую новость. Дело в том, что конструкция представленных процессоров впервые серьезно нарушила так называемый «закон Мура». Согласно ему количество транзисторов как функциональных единиц в микросхемах должна была удваиваться каждые 24 месяца. И именно во второй половине 2016 ожидался очередной скачок удвоения. Однако продемонстрированные в Лас-Вегасе процессоры так и не преодолели этот рубеж. Количество транзисторов осталось примерно таким же, что и в передовых процессорах предыдущего поколения, только с некоторым улучшением конструкции. Более того, согласно последним новостям Intel не планирует делать удвоение (а только ограничится очередным улучшением конструкции) даже в своем следующем релизе, запланированном на конец 2017 года.

Безусловно, такая новость не предвещает ничего хорошего для всех тех, кто надеялся в новом году приобрести себе гораздо более продвинутый по мощности гаджет. Но не только. Вся современная глобальная экономика — от облачных мультимедиа-сервисов до координации логистических звеньев — завязана на вытягивании и обработке данных о поведении рядовых пользователей, так называемом big data. И хотя эта индустрия зашла за полдюжины лет уже достаточно далеко, без дикого галопа «закона Мура», который обеспечивал ее нарастающие аппетиты надлежащими вычислительными мощностями, ей придется сложно.
Это также явление, которое ставит под вопрос один из главных глобальных экономических двигателей современности — обработку больших данных, и повлияет на социально-экономическую ситуацию во всем мире. Что именно это за влияние и какое будущее оно нам несет? Об этом подумаем позже. А сначала давайте немного вникнем в вопросы возникновения и функционирования «закона Мура», чтобы лучше понять причины и последствия текущего ухода от него.

Тик-так

«Закон Мура» появился на свет почти сразу с микроэлектроникой. В 1965 году через шесть лет после изобретения первой микросхемы Гордон Мур, один из будущих основателей Intel, а тогда инженер передовой компании отрасли Fairchild Semiconductor, заметил закономерность: новые микросхемы появлялись примерно каждый год, причем количество транзисторов в них каждый раз была примерно в два раза больше. В 1975 году он, уже как президент Intel, внес коррективы в свой «закон» — количество транзисторов должно удваиваться каждые два года, а не один. Поправка на замедление заключалась в росте значения микропроцессоров: их производство сопряжено с гораздо более сложными схемами строения, а потому требовало больше времени.


            Одна из популярных интерпретаций «закона Мура». Хотя в оригинале он был выдвинут
              только для полупроводниковых микросхем, но здесь его действие распространяют в прошлое
              к возникновению транзисторов. А также к новым неполупроводниковым основам в будущее,
              где он якобы должен привести к достижению мощности человеческого мозга.


Конечно, никаким законом утверждение Мура не было. Его первые эмпирические наблюдения над ранними шагами микроэлектронной индустрии были наверное всё же аутентичными. Но уже вскоре он, очевидно, просто применил их к своему детищу — Intel. Выгода была очевидна. Вскоре после открытия его «закона», в 1972 году, была выявлена еще одна (на этот раз настоящая) эмпирическая закономерность: при уменьшении габаритов транзисторов в микросхеме они потребляли меньше энергии и работали с большей тактовой частотой. Поэтому минитюаризация своей микроэлектронной продукции, кроме большего количества транзисторов, давала еще и дополнительные инженерные преимущества перед конкурентами и становилась действительно прибыльной затеей. Именно поэтому «закон Мура», взятый на вооружение в длительном планировании компаниями типа Intel, заиграл в такт рыночной соревновательной логике.

Уже в середине нулевых годов, когда среди участников марафона остались лишь единицы, компания Intel наглядно продемонстрировала свой лидерский темп, который почти с самого начала задавала остальным. Весь такт производства процессоров был формализован в так называемой тик-так стратегии. Суть стратегии была вполне очевидной с точки зрения «закона Мура». Во время первого такта — «тик» — технологический процесс изготовления микросхем минитюаризовывался, в результате чего в процессоре помещалось большее количество меньших по размеру транзисторов. То есть, по сути, происходило то же пресловутое удвоение. Во время же второго такта — «так» — использовался уже имеющийся технологический процесс, но оптимизировалась сама микроархитектура (точность изготовления, снижение утечек тока и т.д.). В результате этого, для одного и того же количества транзисторов в процессоре удалось достигать еще и дополнительного увеличения вычислительной мощности. Такты чередовались по году, так что полный тик-так цикл как раз и отвечал двухлетнему циклу «закона Мура». За это время на рынок выводились сначала меньшие по размеру, а потом и более качественные транзисторы, цена на единицу которых падала с каждым тактом.

Безупречная, на первый взгляд, модель проработала, однако, в полной мере недолго. Уже на четвертом «тик» такте в 2012 году выход новой архитектуры Ivy Bridge был несколько отложен. Intel объяснил это возникновением определенных сложностей с переходом на технологический процессор с разрешением в 22 нм. То же произошло и на следующем «тик» такте, когда в 2014 году при переходе к текущему технологического процесса в 14 нм с архитектурой Broadwell также повторились похожие задержки. Однако уже в следующем году летом Intel анонсировал настоящую сенсацию: перехода к новой 10-нм технологии, что планировался на вторую половину 2016 года не будет. Его отложили из-за неожиданных технических проблем, а вместо того уже по схеме тик-так-так (как еще один «так» такт с улучшением микроархитектуры без изменения техпроцесса) на свет появится уже известная нам 14-нм-технология Kaby Lake. И хотя при этом представители Intel уверяли в своей дальнейшей верности тик-так цикла, его дальнейшее соблюдение действительно стало под вопрос. Дело в том, что с каждым очередным рывком «закона Мура» ему все большее сопротивление оказывают два серьезных препятствия — технологическое и экономическое. О них мы и поговорим далее.

Отсрочивая вечность

Размер единичного транзистора в современных микросхемах чрезвычайно мал. 14 нм — разрешение, которое сейчас обеспечивает лучший техпроцесс — всего лишь 26 атомных слоев кремния. Это настолько мало, что не поддается сравнению не то что с какой-то бактерией или вирусом, но даже с длиной волны видимого света. Все это приводит к тому, что при фотолитографии для вытравки транзисторов нужного размера на заранее обработанной кремниевой пластине используется специальный экстремальный ультрафиолет с длиной волны лишь в 13,5 нм. Но и это еще не все. Помещения, в которых изготавливают микросхемы должны быть абсолютно стерильными. На один кубический метр воздуха должно приходиться не более 3 (!) пылинок, ведь своими размерами они практически в сотни раз превышают транзисторы на микросхемах. Именно поэтому во всех так называемых «чистых комнатах», где производятся микросхемы, постоянно работают особые кондиционеры, которые вылавливают мелкие инородные тела из воздуха. В свою очередь, немногочисленные сотрудники, допущенные в такие комнаты, обязаны постоянно носить там специальную герметичную одежду. Но все эти и еще многие другие инженерных ухищрение стоят хлопот. Они были разработаны тернистым путём длиной в полвека, который постоянно велся позади бравады «закона Мура».

Однако смогут ли такие усилия успешно осуществляться и дальше? Чисто гипотетически, да. Логический предел для текущего подхода к развитию электроники — миниатюризации — это выход на единичный атом. Величина атома кремния составляет 0,132 нм. Поэтому, исходя из текущего 14 нм техпроцесса запаса для миниатюризации должно было хватить еще на несколько десятков лет, пока не будет создан идеальный атом-транзистор. Но на практике серьезные инженерные трудности возникают значительно раньше.

С уменьшением размеров транзисторов до молекулярного уровня (десятка нанометров) пропорционально уменьшается число электронов, задействованных в переносе тока. Вплоть до того, что на каждое переключение транзисторов приходится лишь несколько десятков или сотен носителей заряда. В результате, поведение той горстки электронов, что остается на проведение сигнала, начинает все меньше действовать по классическим физическими законами «большого» макроскопического мира, основанными на усреднении по огромному количеству носителей. Зато, единичные электроны в своих крошечных масштабах следуют квантовым законам. Например, они могут просто «не заметить» замыкающего транзистора и продолжить сигнал там, где его не должно быть. Или наоборот оказаться в другом месте и привести к ослаблению сигнала. В результате, такие квантовые эффекты приводят к существенному росту «шума» и утечек тока уже даже на сегодняшних молекулярных масштабах транзисторов.

Стоит отметить, что Intel сам признает эту проблему. Однако его официальный подход к ней созвучен заголовке статьи Гордона Мура, опубликованной в 2003 году: «Никакая экспоненциальность не вечна: но «вечность» может быть отсрочена» («No Exponential is Forever: But» Forever «Can BeDelayed!). Инженерные решения для такой отсрочки действительно находятся.

Еще с техпроцесса на 22 нм был внедрен так называемый 3D-подход. Он заключался во введении новой, вертикальной конструкции срединной части транзистора, которая позволяла уменьшить негативные квантовые эффекты (такие как утечки тока). Другим перспективным подходом, который сейчас только апробируется, могут стать определенные комбинации кремния с другими материалами. Они позволяют добиться новых результатов в минимизации негативных квантовых эффектов, чем делают возможным дальнейшую миниатюризацию транзисторов. Именно таким образом, использовав кремниево-германиевую основу, компании IBM еще в 2015 году удалось создать первую экспериментальную микросхему по 7-нм-технологии. Но даже по официальным оценкам Intel подобные ухищрения без кардинального изменения подхода возможны только до уровня техпроцесса в 5 нм. И хотя недавние новости о экспериментальном создание транзисторов с техпроцессом в 1 нм показывают еще более широкие горизонты для «отодвигания вечности», энтузиазма от этого не прибавляется. Ведь ни Intel, ни новоиспеченные создатели малейшего транзистора не упоминают в своих прогнозах еще одного важного осложняющего фактора. Настолько важного, что он может прекратить развитие транзисторов даже раньше «предельных» 5 нм. И это ведет нас к другой, экономической причине исчерпания «закона Мура».

Русская рулетка кремниевых магнатов

Вместе с «законом Мура» в 1960-х также был выдвинут другой, не такой известный «закон Рока». Ранний инвестор Intel, Артур Рок, заметил другую, противоположную Муровой эмпирическую тенденцию: стоимость фабрик («фабов») по производству микросхем растет каждые четыре года. Этот второй «закон Мура» (как его тоже часто называют) фактически был экономическим следствием из первого. Поэтому неудивительно, что Intel, следуя доктрине об удвоении транзисторов все 50 лет, следовал и доктрине Рока об удвоении стоимости их производства. В результате, если стоимость фаба, на которой корпорация Intel производила микросхемы динамической памяти емкостью 1 Кбит, составляла лишь 4 млн. долларов, то Fab42, завод по производству процессоров на базе 14-нм техпроцесса, стоил уже 5 млрд. долларов. И это еще не предел.

Разумеется,»закон Рока» влиял на стоимость производства не только Intel, но и всех других конкурентов по гонке. Фактически, он означал постепенное отсеивание многих производителей с рынка — далеко не все могли потянуть все более высокие уровни капитальных затрат. Как метко подметил Роберт Палмер, директор одной из компаний-аутсайдеров, которая выбыла из гонки в середине 90-х: «Создание полупроводниковых приборов — это как играть в русскую рулетку. Вы приставляете пистолет к голове, нажимаете на спусковой крючок и через четыре года выясняете, разорвутся ли ваши мозги«. Впрочем Intel удавалось использовать этот мрачный азарт в своих интересах. Секрет был прост — умеренность. В то время как более мощные и более именитые конкуренты вкладывали деньги в разработки процессоров с нестандартными и передовыми решениями, Intel просто держался муровской линии удвоения транзисторов и выполнял только необходимые архитектурные изменения для реализации этого. Таким образом, теперь мало кто может вспомнить имена многообещающих процессоров от Fairchild Semiconductor или Motorola, которые оказались коммерчески неуспешными. Зато Intel двигался дальше, минимизируя свои финансовые риски.

Сперва в начале 80-х их процессоры стали основными для IBM PC. Простая и открытая x86-архитектура этих персональных компьютеров оказалась крайне успешной. Поэтому уже вскоре вместе с ней процессоры Intel начали занимать значительную часть рынка. Затем с начала 90-х был длительный этап конкуренции с компанией AMD — другим производителем процессоров для архитектуры х86. Справиться с ней Intel смог лишь в середине нулевых, используя тот же метод, что и раньше.

Все это однако, не лишало Intel необходимости дальше играть в русскую рулетку и запускать все более дорогие и рискованные технологические процессы. Впрочем, компания оставалась верна своей успешной рыночной стратегии умеренности. Ее затягивание 2012 года по 22-нм техпроцессу и 2014 по 14 нм хорошо объясняются такой осторожной неспешностью. Если конкуренты существенно отстали, то почему бы не подставлять инвестиционный револьвер для новых рывков к голове несколько медленнее? Пунктуальное выполнения темпа «отсрочки вечности» Мура теряло свой экономический смысл.


Это всего лишь первая часть очень большой статьи (я ее даже несколько сократил - но материал все равно очень большой). так что дробление на части вызвано естественными причинами.

Это часть констатирующая - закон Мура в рамках модели Интел подошел к физическому и и экономическому пределу. В рамках прежних концепций продолжать в том же темпе невозможно. И с фактической частью трудно спорить.

Вторая часть посвящена анализу возможных последствий. И она на мой личный взгляд не столь бесспорна. Тем не менее, я ее опубликую в ближайшее время


  • 1
(Удалённый комментарий)
Неи бессмсленно - всего лишь у технологии есть предел. У этого подхода

Дело скорее не в подходе, а в элементарной базе.

20 лет назад тоже все говорили о скорейшем достижении предела миниатюризации и увеличения тактовой частоты. А воз и ныне там.

спасибо! очень интересно!
почти уже как год прошел, после покупки моего смартфона Huawei P9
(можно установить GTA, танки и др. игры, по мощности как домашний компьютер)

и вот скоро выходит новый P10...
какого же было моё изумление! по характеристикам (процессор, память), он практически не изменился.
увеличение мощности нового смартфона всего несколько процентов.

а тогда, смысл мне его покупать? я лучше в Грецию на отдых деньги буду копить.
а ведь, если потребитель перестанет покупать смартфоны, электронику, компьютеры,
то технический прогресс действительно может замедлиться.

у производителей электроники не будет должной прибыли, не будет инвестиций, не будет прогресса...


По мощности как домашний он не может быть. Вычислительная мощность такого устройства прямо пропорциональна потребляемой мощности с небольшой поправкой на архитектуру и техпроцесс. Если процессор домашнего компа потребляет 50 ватт, а процессор планшета 5 ватт, первый будет в 10 раз мощнее. Кроме того, в домашний можно запихнуть мощное видео и не одну тогда разрыв легко достигает десятков раз.

Я пишу эти строки сидя за компом 10 летней давности с операционной системой Windows XP, 15+ лет, и не испытываю при этом никакого дискомфорта - работает все. Стагнация налицо.

Вы видимо не играете в современные игрушки. И даже не особо современные типа 5-й цивилизации оч. требовательны к вычислительным ресурсам. Посему я к примеру поменял в этом году старенький целерон (ЕМНИП 450) на топовый i5, хотя целерон и щас вполне рабочий.

А есть еще фотошоп и 3-d дизайн. Там еще круче ресурсы требуются, если этим деньги зарабатывать.

Электроника-это хорошо!
Электроника-это замечательно!
Электроника-это полёт мысли!
Но вернёмся к человеческому,увы,приземлённому,но тоже...полёту...вниз.Неизбежному.
Вот тут человек интересуется http://aquatek-filips.livejournal.com/1321244.html
Что скажете?

Спасибо. Очень интересно!

В сумерках "закона Мура"

Пользователь maya4ok4 сослался на вашу запись в своей записи «В сумерках "закона Мура"» в контексте: [...] Оригинал взят у в В сумерках "закона Мура" [...]

большая ерунда. текст писал персонаж не знакомый с твердотельной электроникой и вычислительных машин архитектурой))) обороты очень характерные переведены с "девчачьим акцентом"... т.е. это очередная пугалка "анпилогов-стайл"

да, транзисторы уменьшаются уже неохотно, но вычислительные мощности легко следуют закону Мура даже для бюджетных изделий, и там, гдестоит ожидать интересностей, в ИИ - удвоение легко реализуется каждый год

тут есть нюанс.
Возможности плат действительно на пределе - в рамках имеющихся моделей.
Но программирование и новые принципы архитектуры катастрофически отстали что и неудивительно - побеждала брут форс, строить экономные программы было вообще некогда.

Но сейчас разгон начнется на основе прогресса софта и сетей - так мне кажется.

Ну и возможны качественные прорывы на принципиально иных основах - это такие ожидаемые черные лебеди (простите за оксюморон)

скорее сделан огромный задел в железе, и нереализовано много возможностей софтверного ускорения. сейчас выбирают возможности софта, для баланса.

я по 01.04.07 диссер писал потому за литературой слежу и могу поумничать. Наработок для существенного увеличения скорости железа - много. есть проекты чипов, что дадут прирост скорости на пару порядков на раз. они будут дорогими, но они вполне на сегодняшнем техуровне... но они уже пару лет как в роли концептов, но не идут на рынок, не востребовано чисто на железе ускорение, нет запроса на революцию... потому как новые задачи, всё это распиаренное БигДата, требует очень простых алгоритмов над очень изощрёнными данными, тут нужна скорее не скорость одного чипа, а возможность распараллеливания, возможность включить в работу много чипов, это было Задачей лет восемь назад, сейчас это дело техники, и техника с ней справляется.)))
потому рынок и не требует пупер-супер чипов. они есть в концептах, они вполне по плечу техническому уровню... но рынку нужны не они.
Например чип TPU от Гугла крут до невероятия по сравнению со старыми же GPU (https://drive.google.com/file/d/0Bx4hafXDDq2EMzRNcy1vSUxtcEk/view, https://www.nextplatform.com/2017/04/05/first-depth-look-googles-tpu-architecture/), но его не купишь ни старый, ни (наверняка уже имеющийся) новый. И нервановский чип от Intel пока тоже не купишь - при всех недавних заявлениях "Intel aims to deliver up to 100x reduction in the time to train a deep learning model over the next three years compared to GPU solutions" (https://newsroom.intel.com/news-releases/intel-ai-day-news-release/).

А у NVIDIA всякие GPU ускорители можно купить в ассортименте уже сегодня. Из больших только что вышла очередная видеокарта NVIDIA TITAN Xp, совсем чуть-чуть круче Titan X 2016, но всё-таки вдвое круче, чем Titan X 2015 года -- 12TFLOPS. Худо-бедно, но за пару лет с 2015 года 2x по вычислительной мощности и производительности в сравнимых приложениях NVIDIA выдерживает - движется в рамках закона Мура, вдвое за пару лет. А если учесть, что NVIDIA серьёзно занимается ещё и драйверной (т.е. софтверной) частью для своих ускорителей и разгоняет специфические библиотеки машинного обучения для своих карт, то общий выигрыш на реальных задачах оказывается и побольше. Что выдаст NVIDIA через следующие три года ведь тоже никто не знает. Может, там тоже будет x100 по сравнению с её нынешними продуктами, как и Intel объявила. На то и конкуренция, чтобы никто не почивал на лаврах. А пока меееедленно, со скоростью Закона Мура.

итак, что мы видим? имеющиеся чипы GPU оказалось легко приспособить к актуальным задачам, к запросам рынка, и потому новые сверхпроизводительные чипы пока ходят в ролях "прорывного будущего", и скорее всего состарятся на этих ролях))

а искусственный-неестественный интеллект уже здесь.
Чатился я по скайпу и помянул в тексте фитнес, причём не прямо, а как "готовность к действию". И немедленно (секунд через десять) получил в окошке скайпа вместо привычной заставки MSN дико мигающую рекламу фитнес-клуба. Скайп читает мою переписку и его неестественный интеллект реагирует в реальном времени. Вот она, инфраструктура полиции мысли - весь этот современный искусственный интеллект уходит на попытки понять, что мне прямо сейчас нужно, и впарить, пока мои мозги не успели отвлечься от темы впаривания. И да, галочка в настройках про разрешение показа целевой рекламы Microsoft на основании данных о возрасте и поле, указанных в личных данных скайпа, убрана. Действительно, можно показывать целевую рекламу на основании содержания разговора - зачем им возраст и пол!
подчеркну, впариватель цепляется уже не за отдельные слова, а за контекст!

(Удалённый комментарий)
это очередная "технология будущего", что затем займёт свою нишу в сторонке от мейнстрима.

Закон мура обусловлен желанием капитала заработать не только на потенциальном пределе технологий, но и на промежуточных достижениях. Прекрасная, денежная идея.

Поэтому закон мура будет продолжать жить. Просто найдут другую точку зрения на него.

  • 1