Memecahkan Hukum Moore: Bagaimana produsen chip mendorong PC untuk meledakkan level baru

Tidak ada dua cara di sekitarnya: PC melambat seiring dengan bertambahnya usia.

Itu mungkin sedikit kasar. -komputer lebih cepat dan lebih kecil dari sebelumnya - tetapi kinerja prosesor tidak maju dengan kecepatan yang berbahaya. Pada suatu waktu, lompatan 50 hingga 60 persen dalam kinerja tahun ke tahun merupakan hal yang biasa. Sekarang, peningkatan 10 hingga 15 persen adalah norma.

Untungnya, komputer yang berusia lima tahun lebih dapat menangani tugas sehari-hari dengan baik, sehingga penurunan kinerja bukanlah masalah besar. Plus, itu bagus tidak harus mengganti PC Anda setiap tahun selama ekonomi bawah. Tetapi teknologi tidak maju dengan tetap berpegang pada status quo. Masa depan membutuhkan kecepatan !

"Saya tidak berpikir ada atau apa pun tentang hal ini. Arsitektur heterogen adalah jalan masa depan."

Untungnya, nama-nama terbesar dalam prosesor PC tidak puas dengan status quo. Pembuat chip bekerja mati-matian untuk memecahkan masalah yang ditimbulkan oleh Hukum Moore yang melambat dan munculnya dinding kekuasaan, dalam upaya untuk menjaga kinerja pedal ke logam.

Jadi apa jenis trik radikal yang mereka miliki di lengan baju mereka ? Beberapa jenis yang berbeda, sebenarnya - dan masing-masing memiliki potensi besar untuk masa depan. Mari kita lihat di balik tirai.

Intel: Membangun di atas bahu raksasa

Wikipedia / Wikimedia CommonsChip menghitung selama bertahun-tahun. (Klik untuk memperluas.)

Apakah kita dapat memperoleh keuntungan kinerja hari ini untuk kerusakan dalam Hukum Moore? Tidak terlalu. Garis legendaris Moore mungkin sering salah dikutip untuk berbicara tentang kinerja CPU, tetapi surat Hukum berkisar pada jumlah transistor di sirkuit dua kali lipat setiap dua tahun.

Sementara pembuat chip lainnya telah berjuang untuk menyusutkan transistor dan menekan lebih banyak dari mereka. ke chip, Intel-perusahaan Moore sendiri dirikan-telah sejalan dengan Hukum Moore sejak ujarannya, sebuah prestasi yang dapat diletakkan di kaki pasukan kecil insinyur Intel. Bukan sembarang insinyur. Pandai insinyur.

Karena transistor menjadi lebih padat, panas dan masalah efisiensi daya menjadi masalah besar. Sekarang transistor mencapai ukuran hampir sangat kecil - masing-masing transistor miliar-plus dalam chip Intel Ivy Bridge berukuran 22 nanometer (nm), atau kira-kira 0,000000866 inci-menaklukkan kesengsaraan tersebut membutuhkan pemikiran kreatif.

"Tidak diragukan lagi itu semakin sulit, "kata manajer manufaktur teknis Intel Chuck Mulloy dalam sebuah wawancara telepon. "Sungguh, benar-benar keras. Maksud saya, kita berada pada level atom."

Untuk terus maju, Intel telah membuat beberapa perubahan signifikan pada desain dasar transistor selama masa lalu. dasawarsa. Pada tahun 2002, perusahaan mengumumkan bahwa mereka beralih ke apa yang disebut "tegang silikon," yang meningkatkan kinerja chip sebesar 10 hingga 20 persen dengan sedikit merusak struktur kristal silikon.

Kekuasaan Mo 'berarti masalah mo', meskipun. Secara khusus, ketika transistor terus menyusut, mereka mengalami peningkatan "kebocoran" elektron, yang membuat mereka jauh kurang efisien. Dua tweak terbaru memerangi kebocoran itu dengan cara baru.

Tanpa terlalu culun, perusahaan mulai dengan menukar insulator silikon dioksida transistor yang mendukung insulator "high-k metal-gate" yang lebih efisien selama peralihan ke Proses manufaktur 45nm. Kedengarannya sederhana, tapi itu sebenarnya masalah besar. Yang diikuti oleh perubahan yang lebih monumental, dengan diperkenalkannya teknologi "tri-gate" atau "3D" transistor dalam chip Ivy Bridge Intel saat ini.

Citra IntelAn membandingkan aliran elektron melalui planar (kiri) dan tri gerbang (kanan) transistor. Elektron dalam transistor tri-gate mengalir pada bidang vertikal, dibandingkan dengan aliran datar transistor planar tradisional.

Transistor "planar" tradisional memiliki sepasang "gerbang" di kedua sisi saluran yang membawa elektron. Transistor tri-gate menghancurkan pemikiran dua dimensi dengan penambahan gerbang ketiga di atas saluran, menghubungkan kedua gerbang samping. Desainnya meningkatkan efisiensi dengan mengurangi kebocoran sambil menurunkan kebutuhan daya. Sekali lagi, kedengarannya sederhana, tetapi pembuatan transistor tiga dimensi membutuhkan presisi teknis yang sangat besar. Saat ini, Intel adalah satu-satunya pembuat chip pengiriman prosesor dengan transistor 3D.

Jadi apa yang berikutnya untuk Intel? Perusahaan tidak memberi tahu. Kenyataannya, Mulloy mengatakan bahwa teknologi apa pun yang digunakan perusahaan mungkin, katakanlah, proses fabrikasi ultraviolet litografi ultra genap berikutnya - memasuki PR "black hole" bertahun-tahun sebelum Intel memperkenalkannya dalam chip. Tapi, ia menekankan, perbaikan masa lalu yang dibahas di atas tidak hanya berhenti ketika mereka diperkenalkan ke publik.

"Orang-orang cenderung berpikir 'Intel menggunakan ini, sekarang mereka menuju ke hal berikutnya,'" Mulloy kata. "Silikon tegang tidak hilang ketika kita menambahkan kemampuan gerbang logam high-k. Gerbang logam k tinggi tidak pergi ketika kita pergi ke transistor tri-gerbang-kita masih membangun dan memperbaiki hal itu. Kami ' pada generasi keempat dari silikon tegang, generasi ketiga dari gerbang logam high-k, dan chip 14nm kami yang akan datang akan menjadi generasi kedua tri-gate. "

Teknologi chip terbaik di luar sana terus menjadi lebih baik, di kata lain.

Oh, dan untuk apa nilainya, Intel berpikir Hukum Moore akan terus berlanjut untuk setidaknya dua generasi yang lebih menyusut transistor.

AMD: Komputasi paralel sepanjang jalan

Intel bukan satu-satunya pembuat chip di kota. Daripada bertaruh murni pada perbaikan teknologi transistor, AMD saingan berpikir masa depan kinerja bergantung pada pemotongan CPU beberapa kendur dengan menggeser sebagian beban kerja ke prosesor lain yang mungkin lebih cocok untuk tugas-tugas tertentu. Prosesor grafis, misalnya, asap melalui tugas yang memerlukan banyak perhitungan secara bersamaan, seperti cracking kata sandi, penambangan Bitcoin, dan banyak kegunaan ilmiah.

Pernah mendengar tentang komputasi paralel? Itulah yang sedang kita bicarakan.

AMDDesain AMD APU yang dibangun untuk standar HSA.

"Masuk ke node yang lebih kecil di sisi transistor meningkatkan kinerja [CPU] sebesar 6 hingga 8 hingga mungkin 10 persen, dari tahun ke tahun, "kata Sasa Marinkovic, produsen pemasaran teknologi senior di AMD. "Tetapi menambahkan GPU dengan kemampuan menghitung GPU memberikan keuntungan yang jauh lebih besar. Misalnya, untuk Internet Explorer 8 hingga IE9, peningkatan kinerjanya 400 persen - empat kali kinerja generasi sebelumnya, dan itu semua berkat [IE9's] akselerasi GPU. "

" Kami melihat jenis lompatan kinerja yang bermain dalam amplop daya hari ini, atau Anda dapat sangat menurunkan daya amplop dan melihat kinerja yang sama [yang Anda miliki saat ini], "kata Marinkovic.

AMD telah beringsut ke arah arsitektur sistem heterogen-sebagai metode mendistribusikan beban kerja di antara beberapa prosesor pada satu chip disebut-dalam unit pemrosesan dipercepat populer, atau APU, termasuk yang menyalakan konsol game PlayStation 4 yang akan datang. APU mengandung core CPU tradisional dan inti grafis Radeon besar pada die yang sama, seperti yang ditunjukkan dalam diagram blok di atas. CPU dan GPU di AMD gen-gen APV berikutnya akan berbagi kumpulan memori yang sama, mengaburkan garis lebih jauh dan menawarkan kinerja yang lebih cepat.

AMD bukan satu-satunya pembuat chip yang mendukung gagasan komputasi paralel. Perusahaan ini adalah anggota pendiri HSA Foundation, sebuah konsorsium pembuat chip top - meskipun sans Intel dan Nvidia - yang bekerja sama untuk menciptakan standar yang semestinya membuat pemrograman untuk komputasi paralel lebih mudah di masa depan.

Adalah hal yang baik bahwa perusahaan terkemuka di industri memberikan tulang punggung visi Yayasan HSA, karena untuk masa depan yang besar masa depan komputasi paralel untuk mencapai hasil, program dan aplikasi harus ditulis secara khusus untuk mengambil keuntungan dari desain perangkat keras.

HSA Foundation

"Perangkat lunak adalah kuncinya," Marinkovic mengakui. "Ketika Anda melihat APU dengan [kompatibilitas penuh HSA] dan tanpa HSA penuh, perangkat lunak harus berubah. Tetapi ini akan menjadi perubahan yang lebih baik … Di mana kita ingin mendapatkan adalah kode-sekali, dan digunakan di mana-mana. Sekali Anda memiliki arsitektur HSA di semua perusahaan HSA Foundation yang berbeda ini, semoga Anda dapat menulis program untuk PC dan menjalankannya di smartphone atau tablet Anda dengan beberapa tweak atau kompilasi kecil. "

Anda sudah dapat menemukan aplikasi processing interface (API) yang memungkinkan komputasi GPU paralel, seperti platform CUDA GeForce-centric Nvidia, API DirectCompute dipanggang ke DirectX 11 pada sistem Windows, dan OpenCL, solusi open-source yang dikelola oleh Khronos Group.

Dukungan untuk akselerasi perangkat keras mengambil di antara pengembang perangkat lunak, meskipun sebagian besar program menangani grafik intensif dalam beberapa cara. Internet Explorer dan Flash ada di kereta musik, misalnya. Baru minggu lalu, Adobe mengumumkan telah menambahkan dukungan OpenCL untuk versi Windows Premiere Pro. Menurut perwakilan, pengguna dengan kartu grafis diskrit AMD atau APU akan dapat memanfaatkan akselerasi GPU untuk mengedit video HD dan 4K secara real time, atau mengekspor video hingga 4,3 kali lebih cepat daripada perangkat lunak takik tak bersandaran dasar.

"Saya tidak berpikir apakah ada atau tetapi tentang ini, "kata Marinkovic. "Arsitektur heterogen adalah jalan masa depan."

OPEL: Begitu lama, silikon, halo, galium arsenide!

Tapi apakah masa depan itu berdasarkan pada teknologi silikon, seperti komputasi saat ini?

Pasti, untuk jangka pendek. Jelas tidak, dalam jangka panjang. Kadang-kadang di masa depan-ahli tidak tahu persis kapan-silikon akan mencapai batasnya dan tidak akan dapat didorong lebih jauh. Pembuat chip harus berpindah ke material lain.

MIT Pandangan tentang sebuah transistor arium gallium yang dibuat oleh para peneliti MIT.

Hari itu masih jauh, tetapi para peneliti sudah mengeksplorasi alternatif. Prosesor graphene menerima banyak hype sebagai penerus silikon potensial, tetapi OPEL Technologies berpikir masa depan terletak pada galium arsenide.

OPEL telah menyempurnakan teknologi galium arsenide di jantung platform POET (Planar Opto Electronic Technology) selama lebih dari 20 tahun, dan perusahaan telah bekerja dengan BAE dan Departemen Pertahanan AS (antara lain) untuk memvalidasinya. Sementara prosesor masa lalu forays ke galium arsenide telah berakhir dengan kekecewaan ringan, perwakilan OPEL mengatakan teknologi eksklusif mereka siap untuk waktu besar.

OPEL baru saja keluar dari tahap R & D dan belum mencoba untuk membuat transistor itty-bitty di Ivy Bridge Ukuran 20nm, tetapi perusahaan mengklaim bahwa pada 800nm, prosesor galium arsenide lebih cepat daripada silikon saat ini dan menggunakan kira-kira setengah tegangan.

"Jika Anda ingin mencocokkan kecepatan prosesor silikon saat ini, di kira-kira tingkat clock 3GHz, Anda tidak perlu pergi ke 20 atau 30 nanometer, "kata ilmuwan kepala OPEL, Dr. Geoffrey Taylor. "Heck, kamu mungkin bisa mencapai itu di 200nm." Dan itu menggunakan teknologi planar, bukan transistor 3D.

Salah satu masalah terbesar yang dihadapi silikon adalah silikon adalah teknologi paling mutakhir di dunia, dengan miliaran diinvestasikan dalam pembuatan prosesor silikon untuk efisiensi maksimum. Ini akan sulit untuk meyakinkan Intel, AMD, ARM, dan Yayasan HSA untuk menjatuhkan semua itu untuk materi baru. OPEL mengatakan teknologinya memiliki tumpang tindih yang besar dengan metode fabrikasi silikon saat ini.

"Ini dapat skalabel, dan itu terhubung ke CMOS," kata direktur eksekutif Peter Copetti. "Itu sangat penting. Dalam diskusi kami dengan perusahaan pengecoran dan semikonduktor yang berbeda, hal pertama yang mereka tanyakan adalah 'Apakah saya harus memperlengkapi kembali fasilitas saya?' Investasi di sini sangat minim karena sistem kami melengkapi apa yang ada di luar sana sekarang. " OPEL juga mengatakan wafernya dapat digunakan kembali.

Badan Antariksa Eropa A European Space Agency membersihkan ruang untuk pembuatan chip.

Roadmap Teknologi Internasional untuk Semikonduktor telah mengidentifikasi gallium arsenide sebagai pengganti silikon potensial antara tahun 2018 dan 2026. Masih ada satu ton pengujian dan transisi yang harus dilakukan sebelum gallium arsenide menangkap setiap dari pasar prosesor PC mainstream, tetapi jika bahkan sebagian kecil dari klaim OPEL berlaku, teknologinya dapat menjadi pengolah yang sangat baik di masa depan.

Yah, setidaknya sampai kita memecahkan transistor molekuler atau komputasi kuantum. Tapi itu adalah 'artikel lengkap …

Melaju menuju wajah yang mencair besok

Jadi, setelah semua itu-kau! -Anda memiliki gagasan yang lebih baik tentang kemana perginya kinerja PC di masa depan. Inisiatif dari Intel, AMD, dan OPEL masing-masing mengatasi masalah besar dengan cara yang jelas berbeda, tetapi itu hal yang baik. Anda tentu tidak ingin semua telur potensial Anda dalam keranjang tunggal. Dan yang paling penting, jika semua potongan berbeda dari puzzle kinerja PC terbukti berhasil, mereka

dapat secara teoritis bergabung dalam Mode mirip-Voltron untuk menciptakan prosesor galium gallium tri-gate, yang dibantu oleh GPU, yang dapat meledakkan celananya bahkan yang paling berat dari prosesor Core i7 saat ini. Kurva kinerja saat ini mungkin mendatar, tetapi masa depan tidak pernah terlihat begitu

dengan keras.