Новые информационные технологии и программное обеспечение
  RSS    

Полезно



Закон количества транзисторов в процессорах (закон Мура) в цифрах и графиках

Закон Мура — наблюдение (изначально сформулированное Гордоном Муром), согласно которому количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца.

Отметим, что часто цитируемый интервал в 18 месяцев связан с прогнозом Давида Хауса из Intel, по мнению  которого, производительность процессоров должна удваиваться каждые 18 месяцев из-за сочетания роста количества транзисторов и увеличения тактовых частот процессоров.

 


Посмотрим, как выполняется правило: 

Год Количество транзисторов в процессоре
1971 2 300
1974 5 000
1978 29 000
1982 134 000
1985 275 000
1989 1 180 000
1993 3 100 000
1997 8 800 000
2001 45 000 000
2005 228 000 000
2009 904 000 000
2013 4 200 000 000
2017 19 200 000 000

 

Фактически, данные подчиняются следующей формуле:

  • P(n) = P(o) * 2^n
  • P(n) = количество транзисторов в текущем периоде
  • P(o) = количество транзисторов в начальном периоде, 
  • n = количество прошедших лет, деленное на 2

 

например,  

  • P(2017) = P(1971) * 2^(46/2)
  • P(2017) = 2300 * 2^(23)

P(2017) = 19293798400,  что примерно соответствует актуальному значению на 2017 год = 19200000000  транзисторов на кристалл.

 

 Исполнение закона Мура в 1971-2018 годах

мура 2

 

 

В 1965 году (через шесть лет после изобретения интегральной схемы) один из основателей Intel Гордон Мур в процессе подготовки выступления нашел закономерность: появление новых моделей микросхем наблюдалось спустя примерно год после предшественников, при этом количество транзисторов в них возрастало каждый раз приблизительно вдвое.

Он предсказал, что к 1975 году количество элементов в чипе вырастет до 216 (65536) с 26 (64) в 1965 году. Мур пришел к выводу, что при сохранении этой тенденции мощность вычислительных устройств за относительно короткий промежуток времени может вырасти экспоненциально.Это наблюдение получило название — закон Мура.

В 1975 году Гордон Мур внёс в свой закон коррективы, согласно которым удвоение числа транзисторов будет происходить каждые два года (24 месяца).

 

Существует масса схожих утверждений, которые характеризуют процессы экспоненциального роста, также именуемых «законами Мура». К примеру, менее известный «второй закон Мура», введённый в 1998 году Юджином Мейераном, который гласит, что стоимость фабрик по производству микросхем экспоненциально возрастает с усложнением производимых микросхем.

 

Стоимость фабрики, на которой корпорация Intel производила микросхемы динамической памяти ёмкостью 1 Кбит, составляла $4 млн, а оборудование по производству микропроцессора Pentium по 0,6-микрометровой технологии с 5,5 млн транзисторов обошлось в $2 млрд. Стоимость же Fab32, завода по производству процессоров на базе 45-нм техпроцесса, составила $3 млрд.

 

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 20 литров топлива. Приведенные цифры весьма точно отражают снижение стоимости, рост быстродействия и повышение экономичности ЭВМ».


 

закон мура для процессоров

Рост числа транзисторов на кристалле микропроцессора (1970-2016).  Точки соответствуют наблюдаемым данным, а прямая — периоду удвоения в 24 месяца.

 

 

перспектива процессоров - закон мура На графике отображены данные о количестве транзисторов в процессорах, производительности, потреблению энергии, количеству логических ядер.

 

Вместе с тем  на прошедшей в рамках выставки CES 2019 пресс-конференции, глава компании NVIDIA Дженсен Хуанг (Jensen Huang) объявил закон Мура более невозможным. Об этом сообщило издание CNET.  Дженсен Хуанг заявил, следующее: «Закон Мура более невозможен». 

 

Как теперь отметил топ-менеджер NVIDIA на сессии вопросов и ответов перед небольшим количеством журналистов, прямо сейчас закон Мура выражается в росте на несколько процентов каждый год и удвоение можно ожидать только каждые десять лет.

 

Интересно, что ещё в 2010 году вице-президент NVIDIA Билл Дэлли (Bill Dally) в своей колонке для журнала Forbes объявил о смерти так называемого закона Мура и отметил, что будущее за параллельными вычислениями.

 

 

Закон масштабирования Деннарда и его исполнение


Закон сформулировал в 1974 году разработчик динамической памяти DRAM Роберт Деннард (Robert Dennard) совместно с коллегами из IBM:

«Известно, что уменьшая размеры транзистора и повышая тактовую частоту процессора, мы повышаем повышать его производительность».


Правило закрепило уменьшение ширины проводника (по сути - миниатюризацию техпроцесса) в качестве главного показателя прогресса в микропроцессорной технике. Однако,  закон масштабирования Деннарда стал буксовать еще в 2006 году. Количество транзисторов в чипах продолжает увеличиваться, но этот рост не дает существенного прироста к  производительности устройств. Представители TSMC (производитель полупроводников) утверждают, что переход с 7-нм техпроцесса на 5-нм увеличит тактовую частоту процессора на 15%.

Известно, что основной причиной замедления роста частоты являются утечки токов, которые Деннард и не учитывал в своих разработках. Даже нынешние студенты первых курсов знают, что при уменьшении размеров транзистора и повышении частоты ток начинает сильнее нагревать микросхему, что при достижении критической температуры выведет ее из строя. В итоге производителям приходится балансировать между выделяемой процессором мощностью и производительностью. Как результат - уже с 2006 года частота массовых чипов установилась на отметке в 4–5 ГГц.


Да, сегодня инженеры работают над новыми технологиями, которые позволят в обозримом будущем решить проблему и увеличить производительность микросхем. К примеру, специалисты из Австралии разрабатывают металл-воздушный транзистор, который работает на частоте в несколько сотен гигагерц. Элемент состоит из двух металлических электродов, выполняющих роли стока и истока. Главное в этой схеме - их расположение (расстояние 35 нм). Они обмениваются электронами друг с другом благодаря явлению автоэлектронной эмиссии. Устройство позволит перестать добиваться  уменьшения техпроцессов и сконцентрироваться на построении высокопроизводительных 3D-структур с большим числом транзисторов на кристалле.

Закон Куми и его исполнение


Закон сформулировал в 2011 году профессор Стэнфорда Джонатан Куми (Jonathan Koomey). Совместно с сотрудниками Microsoft, Intel и университета Карнеги-Меллона он сделал следующий вывод исходя из информации об энергопотреблении вычислительных систем начиная с ЭВМ ENIAC (1946): 

«Можно утверждать, что объем вычислений на киловатт энергии при статической нагрузке удваивается каждые полтора года». Утверждение, в частности уточняло, что и энергопотребление компьютеров за прошедшие годы также выросло.


Спустя десятилетие после формулировки этого закона выяснилось, что средняя производительность чипа на киловатт энергии теперь удваивается каждые три года. Ситуация поменялась из-за трудностей, связанных с охлаждением чипов (как и было описано выше, с уменьшением размеров транзисторов становится труднее отводить тепло)


Будущее не за горами?

 

Да, вовсю разрабатываются  технологии охлаждения чипов. Однако об их массовом внедрении пока говорить не приходится. К примеру, разработчики из университета в Нью-Йорке предложили использовать лазерную 3D-печать для нанесения  на кристалл тонкого теплопроводящего слоя, в который входит титан, олово и серебро. Теплопроводность такого материала аж в 7 раз лучше, чем у иных термоинтерфейсов.

Надо отметить, что в своем исследовании физик Ричарда Фейнмана (Richard Feynman)  еще в 1985 году отметил, что показатель энергоэффективности процессоров способен вырасти в 100 млрд раз. Однако по состоянию на 2019 год это значение не увеличилось и в 100 тысяч раз.  Мы привыкли к высоким темпам роста вычислительных мощностей, инженеры ищут способы продлить действие закона Мура и преодолеть трудности, продиктованные законами Куми и Деннарда. Решением могут стать замена основных конструктивных элементов на кардинально новые. 

 

Поделиться:

 

 

Оставьте свой комментарий!

Добавить комментарий



 

Самое читаемое:

Быстрый поиск

Подписаться в соцсетях

вКонтакте · Twitter · Facebook · Telegram

Инструкции к программам

Инструкции к программам

2019 Новые информационные технологии