Когда остановится развитие компьютерной техники
В 1965 году один из основателей корпорации Intel Гордон Мур впервые заметил, что каждые два года количество транзисторов на квадратный дюйм интегральных схем увеличивается в два раза. Основываясь на этих данных, он сформулировал так называемый закон Мура, согласно которому вычислительная мощность компьютеров экспоненциально увеличивается каждые два года. Чуть позже, когда темпы производства немного замедлились, другой сотрудник Intel Давид Хаус снизил этот показатель до 18 месяцев. Однако сейчас эта константа развития вычислительной техники практически не работает. «Хайтек» разобрался, как сейчас развивается компьютерный рынок и как в 2019 году создаются процессоры и другие важнейшие вычислительные устройства.
Читайте «Хайтек» в
Погодные системы и сложные модели
К 2030 году, как предполагается, зеттафлопные суперкомпьютеры смогут точно смоделировать целую погодную систему Земли за две недели. Мы имеем в виду 100-процентно точную модель всей нашей планеты и экосферы, с местными и глобальными прогнозами, доступными по нажатию кнопки. Если не говорить об очевидно полезных вещах — предсказаний стихийных бедствий, например — представьте, что ваш отпуск или свадьба не будут испорчены погодой, поскольку вы будете знать ее за несколько недель вперед.
Климат Земли — настолько сложная система, что ее часто обсуждают в связи с теорией хаоса, сложность которой некоторые из нас даже и представить не могут. Вопрос о том, может ли взмах крыла бабочки в Бразилии вызвать торнадо в Техасе, перестанет существовать. Короче говоря, сложно даже представить более сложную систему большого масштаба, нежели погода нашей планеты.
Производство продуктов и сельское хозяйство, влияние погоды на другие масштабные научные проекты (полярные экспедиции или запуск космических аппаратов), предсказание стихийных бедствий — это только несколько спасительных вариантов, которые предложит нам вычислительная мощность.
И конечно, погодная система — это только верхушка айсберга. Если вы сможете идеально представить погодные условия, вы так же просто сможете воссоздать любую сложную и большую систему.
Транзисторы. История появления
Транзистором называют радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, который на сегодняшний день является основным рабочим компонентом всех электронных устройств и микросхем. Он может от небольшого входного сигнала управлять током в выходной цепи, что позволяет его использовать для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов.
Первый транзистор появился спустя десятилетия исследований ученых со всего мира у группы физиков под руководством Джозефа Бекера. Их финансировала компания Bell Telephone Laboratories, одна из самых наукоемких и богатых в США рубежа 1940-х. Еще один физик, Уильям Браттейн, спустя многолетние не очень удачные исследования твердотельных приборов однажды случайно сблизил два игольчатых электрода на поверхности германия, да еще перепутал полярность напряжений питания, и вдруг заметил влияние тока одного электрода на ток другого. Уже через полгода — к середине 1947 года — у них заработал первый твердотельный усилитель, который считают первым в мире транзистором.
Bell Labs сразу оформила патент на это изобретение, но технология была очень нестабильной и имела массу проблем. Первые транзисторы, поступившие в продажу в 1948 году, работали ненадежно — если их потрясти, коэффициент усиления резко менялся, а при нагревании устройства совсем переставали работать.
В 1952 году Bell Labs решила предоставить права на изготовления транзистора всем компаниям, которые смогут заплатить $25 тыс. за пользование патентом. И уже в 1953 году на рынке появилось первое коммерческое изделие на основе транзисторов — слуховой аппарат от пионера в этой области Джона Килби из компании Centralab.
После этого транзисторы заменили все радиолампы в электронных устройствах. Начиная с первых транзисторов по сегодняшний день, все микросхемы используются в качестве так называемых планарных или плоских транзисторов. Последние 50 лет инженеры пытались уменьшить размеры транзисторов, чтобы на одну плату могло влезть как можно больше подобных схем. Например, если в 1965 году в микросхему можно было встроить 30 транзисторов, то теперь — около 55 млн.
Во время эволюции транзисторов менялись не только их размеры, но и материалы, а также геометрия и технологии производства. При этом уменьшение транзистора влияет и на его рабочие характеристики, поскольку уменьшив его, например, в пять раз, увеличивается его скорость работы — тоже в пять раз.
Основная проблема, связанная с уменьшением размера транзистора, сталкивается с тем, что увеличение количества транзисторов приводит к росту потребляемой мощности и обычному перегреву микросхемы. Он происходит из-за утечки тока через слой диэлектрика, который приходится также снижать при уменьшении самого транзистора.
Альтернативой обычным стали SOI-транзисторы, в которых слой диэлектрика добавляют вглубь кремния для остановки утечки тока. Это позволяет даже повысить скорость работы транзисторов на 25%, однако у технологии есть и недостаток. Для работы таких схем необходимо повышать напряжение, что негативно сказывается на характеристиках. Таким образом, обычные кремниевые транзисторы подошли к физическому пределу, для преодоления которого ученым приходится не просто менять принцип работы устройства, а создавать новые схемы передачи электронов. Из-за этого закон Мура сейчас практически перестал работать.
Сейчас ученые активно развивают технологию создания вакуумных транзисторов, поскольку вакуум — намного более выгодная среда для передачи электронов, нежели твердое тело. Вакуумное устройство может стать первым полноценным терагерцевым транзистором, работающим намного быстрее кремниевых. Еще одной заменой кремниевых могут стать графеновые или состоящие из нанотрубок устройства, однако все эти технологии пока находятся на стадии разработки.
Искусственный мозг
Давайте поговорим о том, что должно произойти в период между 2025 и 2030 годами, когда суперкомпьютеры смогут картографировать человеческий мозг. В 1996 году ученый из Сиракузского университета оценил, что наши мозги обладают памятью от 1 до 10 терабайт, в среднем около 3. Конечно, чрезвычайно уместным будет отметить, что наши мозги работают не так, как компьютеры. Но в течение следующих 20 лет компьютеры должны заработать как наши мозги.
Точно так же, как суперкомпьютеры чрезвычайно полезны в картографировании генома человека, решении медицинских проблем и в другом, точные модели человеческого мозга существенно облегчат диагностику, лечение и понимание сложностей человеческой мысли и эмоций. В сочетании с технологией визуализации, врачи смогут выявлять проблемные зоны, моделировать различные формы лечения и даже добраться до корней многих вопросов, которые мучают нас с начала времен. Имплантируемые и прививаемые чипы и другие технологии помогут наблюдать и даже изменять уровень серотонина и других нейромедиаторов для улучшения настроения и общего эмоционального состояния, а неправильная работа отдельных участков мозга в процессе травм, например, и вовсе может быть искоренена.
Помимо успехов в медицине, которые обещают нам суперкомпьютеры, есть также вопрос искусственного интеллекта. Уже сейчас компьютеры средней производительности могут научиться некоторым возможностям искусственного интеллекта, среди которых умная система подборки рекомендаций книг и телевизионных программ — самое меньшее. Представьте себе интернет-врача, который сможет заменить собой настоящего врача и даже целый консилиум лучших врачей мира.
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.
Сказать, что компьютеры развиваются невероятно быстро — ничего не сказать. Еще в 1965 году Гордон Мур отметил, что число транзисторов, которые можно вместить на кремниевый чип, каждый год увеличивается вдвое. Эти маниакальные темпы немного замедлились — теперь удвоение происходит примерно раз в два года.
Осведомленность о головокружительной скорости, с которой развиваются компьютерные технологии, просочилась в общественное сознание. Кто еще не слышал шутку о том, что если купить компьютер в магазине, он устареет к тому времени, как вы его довезете домой? Что будет с компьютерами в будущем?
Если предположить, что производство микропроцессоров будет жить по закону Мура, вычислительная мощность наших компьютеров должна удваиваться каждые два года. Получается, через 100 лет компьютеры будут в 1 125 899 906 842 624 раза мощнее, чем сегодня. Это трудно вообразить.
Но даже сам Гордон Мур предостерегал от того, что закон Мура продержится так долго. В 2005 году инженер сказал, что транзисторы достигнут атомарных масштабов, и мы столкнемся с фундаментальными барьерами, которые не сможем пересечь. Потом мы не сможем вместить больше транзисторов в точку пространства.
Возможно, мы сможем обойти этот барьер за счет строительства более крупных процессорных чипов. Но транзисторы генерируют тепло, а горячие процессоры приводят к тому, что компьютер отключается. Компьютерам с быстрыми процессорами нужны эффективные системы охлаждения, чтобы избежать перегрева. Чем больше процессорный чип, тем больше тепла компьютер будет вырабатывать при работе на полной скорости.
Другая тактика — перейти к многоядерной архитектуре. Многоядерный процессор распределяет свою вычислительную мощь на каждое из ядер. Они хорошо справляются с задачами, которые можно разбить на меньшие компоненты, но плохо справляются с обработкой крупных вычислительных задач, которые разбить нельзя.
Компьютеры будущего, возможно, будут опираться совершенно на иную модель, нежели традиционные машины. Что если мы откажемся от старых процессоров на базе транзисторов?
Распределенные вычисления
Популярная в фантастике тема — это распределенные вычисления. В таком будущем компьютеры будут настолько малы и широко распространены, что будут практически везде. Возможно, в вашем полу будут установлены датчики, постоянно следящие за вашим физическим здоровьем. Компьютеры в вашей машине помогут вам добраться до работы. Компьютеры будут отслеживать каждый ваш шаг.
Это видение будущего одновременно и волнует, и пугает. С одной стороны, компьютерные сети станут настолько надежными, что мы всегда будем иметь быстрый и надежный доступ к Интернету. Вы сможете общаться с кем угодно вне зависимости от того, где находитесь — в метро или на необитаемом острове. С другой стороны, это создает дополнительные возможности для слежки за вами.
За последние десять лет в сфере распределенного вычисления было проделано очень многое. 4G, LTE, WiMAX расширяют Сеть далеко за пределы проводных машин. С помощью смартфона можно, если постараться, получить доступ к петабайтам информации в считанные секунды. Биометрические устройства развиваются и становятся все популярнее.
Мы также увидим суровые преобразования в технологиях пользовательского интерфейса. В настоящее время большинство компьютеров полагаются на физические входные данные, вроде компьютерных мышей, клавиатур, тачпадов и других сенсорных поверхностей. Также развиваются различные интерфейсы, которые позволяют людям управлять компьютером движением глаз, голосом или даже силой мысли. Кто знает, что будет завтра? Возможно, компьютеры будущего будут знать все наши желания.
Представить, что будет через 100 лет, крайне сложно. Технический прогресс не развивается линейно. За десятилетиями прогресса следуют моменты, в которых мы похожи на слепых котят. С другой стороны, мы можем провести четкую разницу между компьютерами и людьми сегодняшнего дня и 100 лет назад. Мы ведь стали лучше, не так ли?
По мере того как наши устройства становятся все больше завязаны на интернете, а мы постепенно отходим от парадигмы персональных компьютеров, суперкомпьютеры все меньше и меньше кажутся нам громоздкими и безумными устройствами с тысячами охлаждающих боксов и упорядоченным нагромождением процессоров. Но гигантские параллельные системы — которые похожи на эти самые старые суперкомпьютеры — все еще разрабатываются.
Большинство из нас знает, что такое закон Мура, который по своей сути гласит, что мощность компьютерных чипов удваивается каждые полтора-два года. Это относится не только к нашим компьютерам и смартфонам. Все наши электронные устройства идут по пути усовершенствования: скорость обработки растет, чувствительность датчиков, память и даже пиксели экрана или камеры становятся лучше и лучше. Чипы могут улучшаться и уменьшаться до невообразимых пределов, пока квантовые эффекты не начнут вносить диссонанс. Некоторые эксперты считают, что в течение 50 ближайших лет закон Мура все же ограничит и замедлит развитие компьютерных чипов. Неудивительно, что крупнейшие производители чипов уже сейчас начинают искать альтернативу.
Наши телефоны и планшеты еще долго могут удивлять нас удваивающейся каждые два года мощностью, но за кулисами есть вещи, которые требуют больше — «облака», суперкомпьютеры, мельчайшие вычислительные системы. Давайте попробуем предположить, по какому пути пойдут суперкомпьютеры будущего и как это отразится на общей вычислительной мощи нашей планеты.
2025 год
Таким образом, к 2025 году все ведущие производители должны наладить производство CPU по техпроцессу 2 нм на транзисторах с круговым затвором. Это означает значительное повышение количества транзисторов на единицу площади кристалла. Процессоры нового поколения будут значительно мощнее существующих и гораздо энергоэффективнее. Десятки новых заводов помогут удовлетворить растущий спрос.
Если же спрос на микросхемы окажется ниже прогнозов, то возможен кризис перепроизводства с катастрофическим обвалом цен на комплектующие, как уже неоднократно происходило раньше.
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.
Scientific American
Закон Рока
Существует также закон Рока, названный в честь известнейшего инвестора Артура Рока. Согласно ему, размер прибыли компании по производству таких чипов также должен удваиваться каждые четыре года. По сути, закон Рока можно рассматривать как обратную сторону закона Мура, когда развитие технологий рассматривается только с экономической точки зрения.
Артур Рок отмечал, что закон Мура может работать только в случае роста прибыли корпораций, которые занимаются созданием вычислительной техники. Если достаточно капиталоемкая полупроводниковая промышленность начинает приносить большую прибыль, инвесторы начинают еще больше вкладывать деньги в эту отрасль, что снова дает резкий рост технической стороне.
При этом за последние 50 лет стоимость производства транзисторов упала в тысячи раз, и сейчас она обходится не дороже цены, которую в типографии берут за один знак, например, за точку.
По прогнозам, закон Мура будет действовать, хоть и в несколько видоизмененном формате, до конца 2025 года. В 2014 году компания Intel заявила, что темпы разработки транзисторов уменьшились, а сроки работы закона Мура скорректировались до 2,5 лет. Как будет развиваться вычислительная техника после 2025 года, до конца не ясно.
Сейчас только две компании смогли создать транзисторы с такими техническими характеристиками и стоимостью, которые соответствовали бы прогнозам Мура — корпорации TSMC и Samsung Electronics, с производственными узлами в 10 нм, 7 нм и 5 нм (и еще планируют узлы в 3 нм). При этом темпы Intel и других бывших лидеров этого направления достаточно сильно упали.
Тем более, что еще в 2012 году исследовательская группа из Университета Нового Южного Уэльса объявила о разработке первого рабочего транзистора, состоящего из одного атома, размещенного точно в кристалле кремния (а не только из большой выборки случайных транзисторов). Закон Мура предсказал, что этот рубеж будет достигнут только к 2020 году. После создания такого типа транзисторов технологиям будет практически некуда развиваться дальше.
Многие участники рынка предполагают, что очередная революция в вычислительной технике произойдет с появлением первых квантовых компьютеров. Однако сейчас, даже несмотря на появление громких новостей, до его создания пока достаточно далеко.
Квантовый компьютер считается потенциальным вычислительным устройством следующего поколения, который будет работать на явлениях квантовой механики — квантовой суперпозиции и квантовой запутанности. В отличие от обычных компьютеров, он будет оперировать не битами с возможными значениями 0 или 1, а кубитами — они будут иметь одновременно значение и 0, и 1.
Теоретически это позволит обрабатывать все возможные состояния кубита одновременно, значительно увеличивая скорость работы компьютера. На сегодняшний день реально работающих квантовых компьютеров пока не существует.
Еще одним вектором для развития вычислительной техники может являться более традиционный подход — в частности, создание новых материалов, из которых можно собирать транзисторы. Ведь первоначально проводники делались из различных металлов с легирующими примесями — индия, галлия и алюминия, но постепенно инженеры начали экспериментировать над разными материалами для полупроводниковых транзисторов. В том числе начал использоваться германий, на смену которому пришел кремний — он используется и на сегодняшний день. Каждый используемый материал обладал собственной скоростью передачи электронов, а также уникальными характеристиками, например, теплопередачей или мощностью работы. Обычный кремниевый транзистор не может работать под напряжением более 1 кВ, тогда как вакуумные лампы намного эффективнее их в этом вопросе.
Другие эксперты считают, что будущее вычислительной техники — за соединением искусственного интеллекта и органических веществ для создания биокомпьютера. Однако такие разработки пока находятся несколько на периферии технологической мысли или в области научной фантастики.
Сколько хоронили закон Мура, а он продолжает работать. Даже сейчас, на фоне острого дефицита микросхем.
Планы Intel, AMD, Apple и производителей ARM следующего поколения говорят, что мы на пороге небольшой технологической революции. Транзисторы с круговым затвором, техпроцесс 2 нм, 3D-компоновка, квантовые технологии — вот планы производства микросхем на ближайшие годы. Впрочем, обо всём по порядку.
Транзисторы с круговым затвором
Типы транзисторов
На отраслевой конференции IEDM 2021 компания Intel поделилась планами на ближайшую пятилетку. Она рассчитывает на фундаментальные технологические прорывы в следующих областях:
- Упаковка микросхем с 10-кратным повышением плотности межсоединений.
- Увеличение плотности размещения транзисторов в CMOS на 30–50%.
- Первые в мире переключатели на основе GaN (нитрид галлия).
- Новые концепции в физике, которые могут произвести революцию в вычислительной технике.
Как показано на слайде, современные технологические процессы используют полевые транзисторы с вертикальным затвором (FinFET). Сейчас происходит переход с технологии компоновки межсоединений EMIB (2.5 D) на Foveros Direct HBI (3D).
Технология трёхмерной компоновки Foveros Direct позволяет уменьшить шаг контактных площадок до 10 микрон, что сильно увеличивает плотность межсоединений.
Foveros Direct
Дальнейшее уменьшение технологических норм и размеров компонентов на техпроцессе 2 нм предусматривает внедрение транзисторов c круговым затвором — GAAFET (Gate All Around).
В таком же направлении двигаются и другие разработчики микроэлектроники. Недавно компания Samsung тоже анонсировала транзисторы GAAFET и внедрение техпроцесса 2 нм.
Свои транзисторы с круговым затвором Samsung обозначает аббревиатурой MBCFET (multi-bridge channel FET). Первое поколение будет производиться по нормам 3 нм.
TSMC переходит на 2 нм в 2025 году одновременно с Samsung и Intel.
Наконец, IBM и Samsung тоже недавно заявили о «революционной разработке» и планах преодолеть барьер 1 нм.
Как появился закон Мура
Гордон Мур в своем прогнозе 1965 года предсказал, что за десять лет — к 1975 году — количество элементов в каждом чипе вырастет с 26 (64 единицы) до 216 (65 536 единиц). По словам Мура, при сохранении такой тенденции мощности процессоров за достаточно короткий промежуток времени будут расти экспоненциально — то есть в два раза, именно это и стало называться законом Мура.
Почти через 40 лет после своего прогноза, в 2003 году, Мур начал сомневаться в продолжительности действия такого развития вычислительной техники. В своей научной работе No Exponential is Forever: But Forever Can Be Delayed! («Экспоненциальный рост не вечен, но эту вечность можно отложить!» — «Хайтек») он пояснил, что такой рост величин в течение длительного времени практически невозможен, поскольку техника в том виде, в котором она существовала, постоянно упирается в различные именно физические пределы. Для радикального роста инженерам приходилось достаточно сильно менять саму структуру транзисторов и открывать новые материалы, из которых их можно собирать.
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.
Соперничество
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.
Прогнозирование
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.
ARM наступает
Процессоры на архитектуре ARM традиционно доминировали на рынке смартфонов, но постепенно находят применение и в настольных компьютерах, и в серверах.
Особенно стоит выделить SoC Apple M1 Pro и M1 Max.
На массовый рынок выходят также производители вроде Qualcomm, которая недавно выпустила десктопный процессор Snapdragon 8cx Gen 3 (5 нм). По объёму вычислений на ватт в некоторых задачах он на 60% эффективнее процессоров x86 в тестах Geekbench 5.
Сейчас вычисления на серверах ARM зачастую обходятся дешевле, чем на x86. Можно предположить, что в ближайшие годы тенденция перехода на ARM продолжится, особенно на серверах.
Квантовая электроника
На конференции IEDM 2021 была представлена первая в мире экспериментальная реализация магнитоэлектрического спин-орбитального логического устройства (MESO) при комнатной температуре. Эксперименты в этой области могут привести к созданию нового типа транзистора, основанного на переключении нанометровых магнитов.
MESO
Мы видим электронику, в которой уже используются законы квантовой физики.
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.
AMD напугала Intel
Интересные события происходят в разработке процессорных архитектур. Компания AMD благодаря революционной микроархитектуре Zen выдала несколько рекордных лет. В 2021 году на десктопах она ненадолго даже опередила Intel, впервые с 2006 года.
AMD стала реальным технологическим лидером, у которого реально лучшие микросхемы по всем параметрам: производительность, энергоэффективность и цена.
Но во второй половине года Intel попыталась выровнять ситуацию, выпустив 12-е поколение Alder Lake по техпроцессу Intel 7 (бывший 10ESF) с поддержкой DDR5 и предложив большие скидки на процессоры предыдущих поколений.
Нас ждёт очень интересный 2022 год. Возможно, AMD представит процессоры на архитектуре Zen 4 (платформа AM5, техпроцесс TSMC N5) с поддержкой DDR5 и PCIe Gen5. По предварительным оценкам они будут на 25–40% быстрее нынешнего поколения на той же тактовой частоте.
AMD запланировала мероприятие 4 января 2022 года на выставке CES с презентацией технологии 3D V-Cache и процессоров, которые должны стать достойным ответом Alder Lake.
В то же время Intel дополнит линейку 12-го поколения, в том числе выпустит топовый Core i9-12900KS c частотой 5,2 ГГц на всех ядрах.
Прорыв IBM и Samsung
На самом деле в презентации IBM речь идёт о другой разновидности GAAFET, которая здесь называется VTFET (Vertical Transport Field Effect Transistors). Но суть прежняя: это те же самые транзисторы с круговым затвором, за которыми вся индустрия признала будущее микросхем.
Транзистор VTFET, графика: Samsung
Впрочем, у IBM есть и уникальная инновация. Большинство GAAFET строятся горизонтально и требуют большого количества технологических шагов. Для формирования самих затворов «по всему периметру» требуется около сотни дополнительных шагов. Несмотря на впечатляющие технические характеристики, затраты слишком высоки.
VTFET
VTFET гораздо лучше поддаётся современным технологиям производства, поскольку здесь устройство как бы повёрнуто набок. Тот же самый GAA, но боком, что избавляет от трудностей анизотропного травления. Сформировать плоское кольцо легко и просто с помощью современных процессов, уверяют разработчики.
Суммируя всё вышесказанное, вот таблица максимальной плотности транзисторов по разным техпроцессам у четырёх крупнейших производителей, включая недавно представленные микросхемы 2 нм от IBM.
Максимальная плотность транзисторов (млн транзисторов на мм 2 ) | ||||
IBM | TSMC | Intel | Samsung | |
22 нм | 16,50 | |||
16/14 нм | 28,88 | 44,67 | 33,32 | |
10 нм | 52,51 | 100,76 | 51,82 | |
7 нм | 91,20 | 100,76 | 95,08 | |
5/4 нм | 171,30 | ~200 | 126,89 | |
3 нм | 292,21 | |||
2 нм / 20A | 333,33 |
Закон Мура больше не работает?
Уже в 2007 году сам Мур заявил, что действие этого закона больше невозможно из-за фундаментальных причин — атомарной природы вещества и ограничения скорости света, которое не позволяет процессорам работать еще быстрее.
Критика закона Мура появилась почти сразу после его появления. Одним из самых уязвимых мест этой концепции был пункт, что при экспоненциальном увеличении мощностей процессоров их стоимость каждый раз уменьшается примерно на такой же порядок. Если в 1969 году стоимость создания первого персонального компьютера H316 от компании Honeywell составляла более $10 тыс., то к 1971 году она должна была снизиться до $5 тыс., а к 1973 году — до $2,5 тыс.. Однако в 1975 году фирма MOS Technology, Inc. начала производство компьютера KIM-1, который стоил $245.
Постоянно критиковались не только финансовые стороны этого закона, но и невозможность переложить его на другие сферы. В 1983 году издание Scientific American в своем материале заявило, что «закон Мура абсолютно невозможно использовать не только в промышленности в широком смысле этого слова, но и практически во всех отраслях, смежных с вычислительной техникой».
Если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как промышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолет Boeing 767 стоил бы $500 и совершал облет 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.
Как появился закон Мура
Гордон Мур в своем прогнозе 1965 года предсказал, что за десять лет — к 1975 году — количество элементов в каждом чипе вырастет с 26 (64 единицы) до 216 (65 536 единиц). По словам Мура, при сохранении такой тенденции мощности процессоров за достаточно короткий промежуток времени будут расти экспоненциально — то есть в два раза, именно это и стало называться законом Мура.
Почти через 40 лет после своего прогноза, в 2003 году, Мур начал сомневаться в продолжительности действия такого развития вычислительной техники. В своей научной работе No Exponential is Forever: But Forever Can Be Delayed! («Экспоненциальный рост не вечен, но эту вечность можно отложить!» — «Хайтек») он пояснил, что такой рост величин в течение длительного времени практически невозможен, поскольку техника в том виде, в котором она существовала, постоянно упирается в различные именно физические пределы. Для радикального роста инженерам приходилось достаточно сильно менять саму структуру транзисторов и открывать новые материалы, из которых их можно собирать.
Экзафлопс и дальше
Миниатюризация компонентов чипа — это только полдела. По другую сторону медали, суперкомпьютерам нужна специальная сборка для пущей мощности. В 2008 году IBM Roadrunner преодолел предел в один петафлопс: один квадриллион операций в секунду. (Флопс означает «количество операций с плавающей запятой в секунду», и это стандарт, который мы используем, говоря о суперкомпьютерах, которые используются для научных расчетов).
В научном представлении петафлопс измеряется в 10^15 операций в секунду. Экзафлопсный компьютер — который появится в 2019 году, по разным прогнозам — будет иметь производительность в 10^18, в тысячу раз больше, чем петафлопсные компьютеры, которые мы наблюдаем сегодня. Для сравнения: самый мощный из 500 самых быстрых суперкомпьютеров в мире по состоянию на 2014 год «Тяньхэ-1А» обладает производительностью меньше 60 петафлопс. К 2030 году суперкомпьютеры должны набрать производительность в зеттафлопс, или 10^21 операций в секунду, а потом и йоттафлопс, или 10^24.
Что эти цифры на самом деле означают? Предполагается, что полная имитация компьютерного мозга станет возможной к 2025 году, а зеттафлопсовые компьютеры смогут точно предсказывать всю погоду на планете за две недели.
Оперативная память
Активные исследования идут также в области микросхем DRAM. Например, Intel сейчас тестирует память нового типа FeRAM с задержками чтения/записи 2 нс. Судя по фотографиям уже есть готовые экспериментальные образцы.
FeRAM
FeRAM (Ferroelectric RAM) работает на другой физике, по сравнению с существующими чипами памяти. Если вкратце, принцип работы FeRAM основан на эффекте гистерезиса в сегнетоэлектрике: в электрическом поле ячейка меняет свою поляризацию, переходя на другой участок петли гистерезиса. Подробнее читай в статье на Хабре.
Имитация мира
Большинство из нас знакомы с онлайн-играми и может вспомнить, когда симуляторы жизни типа Second Life или The Sims были в моде. Виртуальная реальность всегда была любимым сюжетом научной фантастики. Но если вы умножите ее на возможности суперкомпьютеров, игры и виртуальная среда могут стать больше, чем просто развлечением.
Хотя разработка этакой «Матрицы», безусловно, будет впечатлять, перенос наших повседневных культурных и социальных изменений с целью наблюдения за ними и прогнозирования, могут быть крайне полезны для нашего нестабильного общества. Представьте, как упростятся вопросы городского планирования, застройки новых районов, неравномерного распределения продуктов питания и ресурсов.
Суперкомпьютеры не будут гадать на кофейной гуще: они будут получать информацию из всех возможных источников — от последних твитов в топе до использования энергетической сети на данный момент — и создавать модели, которые помогут регулировать не только текущие факторы, но и будущие планы. Дефицит газа, электричества, воды, планомерное использование этих ресурсов и обеспечение энергией масштабных событий вроде Олимпиады перестанут волновать людей.
С беспроводным интернетом, который захватил страны и весь мир, качественная модель нашего мира в один прекрасный момент не будет отличаться от мира, в котором мы живем. Только сейчас мы начинаем воплощать в жизнь все эти возможности, которые не были бы доступны без суперкомпьютеров.
Новые фабрики, конец дефицита
По прогнозам, спрос на микроэлектронику будет расти экспоненциально. К 2025 году рынок вырастет с $0,5 млрд до $2 млрд.
В текущем году производители инвестируют в строительство и оборудование $152 млрд (+34% к прошлому). Лидеры по инвестициям — Intel ($19 млрд), контрактные фабрики TSMC, Samsung Foundry и GlobalFoundries. TSMC готовится к переходу на техпроцесс N3 (3 нм) в 2023 году, а затем N2, что требует нового оборудования и новых заводов.
Инвестиции в производство DRAM по итогу года составят $24 млрд, в производство NAND — $27,9 млрд.
В следующем году сильно вырастет производство микропроцессоров, чипов памяти, логических и аналоговых интегральных схем. Главное для бизнеса — не перестараться и в погоне за прибылью не построить лишние производственные мощности.
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.
Самообучающиеся системы
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.
Специализированные чипы
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.
Специализированная архитектура
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.
Квантовые системы
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.
Оптические, квантовые и ДНК-компьютеры
Оптоволоконные технологии уже начали революцию в мире компьютеров. Оптоволоконные линии передачи данных несут информацию с невероятной скоростью и не страдают от электромагнитных помех, как обычные классические кабели. Что если построить компьютер, который использует свет для передачи информации вместо электричества?
Одним из преимуществ будет то, что оптическая или фотонная система будет генерировать меньше тепла, чем традиционный электронный процессор на базе транзисторов. Эти данные также будут передаваться с большей скоростью. Однако инженерам еще предстоит разработать компактный оптический транзистор, который можно выпустить на массовый рынок. Ученые из ETH Zurich смогли построить оптический транзистор размером с одну молекулу. Но чтобы система стала эффективной, ученым нужно охладить молекулу до минус 272 градусов Цельсия, или 1 градуса Кельвина. Это ненамного теплее, чем глубокий космос. И это не совсем практично для обычного пользователя компьютера.
Фотонные транзисторы могут стать частью квантового компьютера. В отличие от традиционных компьютеров, которые используют двоичный счет или биты для выполнения операций, квантовые компьютеры используют квантовые биты или кубиты. Кубит может быть 0,1 или чем-то между ними одновременно.
Рабочий квантовый компьютер сможет решать крупные задачи, которые могут быть разделены на меньшие, в несколько раз быстрее традиционных компьютеров. Вся «фишка» в проблеме распараллеливания. Однако квантовые компьютеры по своей природе нестабильны. Если квантовое состояние компьютера нарушится, машина вернется к вычислительной мощи обычного компьютера. И как и оптические передатчики, собранные силами ETH Zurich, квантовые компьютеры способны работать при нескольких градусах выше абсолютного нуля, чтобы сохранить свое квантовое состояние.
Возможно, будущее компьютеров лежит внутри нас. Команды компьютерных ученых работают над созданием компьютеров, использующих ДНК для обработки информации. Такое сочетание информатики и биологии может проложить путь к следующему поколению компьютеров. ДНК-компьютер обладает определенными преимуществами по сравнению с традиционными машинами. К примеру, ДНК — это распространенный и недорогой ресурс. Если мы обнаружим способ использования ДНК в качестве инструмента обработки данных, она может произвести революцию в компьютерной сфере.
Зеленые суперкомпьютеры
У любой мощности есть своя цена. Если кулер вашего компьютера когда-нибудь ломался или вы сидели с ноутбуком на коленях, вы знаете, чего стоит мощность: компьютеры нагреваются в процессе работы. На самом деле, одна из основных проблем разработчиков суперкомпьютеров связана с поиском разумного пути установки и использования могучих машин без сбоев или ущерба для планеты. В конце концов, одно из главных назначений моделирования погодных условий будет направлено на управление выбросами оксида углерода, так что было бы не очень разумно прибавлять климатологам проблем в процессе решения этих задач.
Компьютер работает крайне плохо, если перегревается. Любая компьютерная система полезна настолько, насколько она работает в свои худшие дни, поэтому охлаждение горячих микросхем представляет крупный интерес для инженеров. Более половины энергии, используемой суперкомпьютерами, уходит на охлаждение. И экологические проблемы уже вызывают серьезную обеспокоенность в свете повышения производительности компьютеров. Зеленые решения и энергоэффективность давно стали основой каждого проекта суперкомпьютера.
От охлаждения «бесплатным воздухом» — то есть инженеры пытаются подвести внешний воздух к системе — до аппаратных конструкций, увеличивающих площадь поверхности системы, ученые пытаются быть максимально инновационными с целью повышения эффективности охлаждения суперкомпьютеров. Одной из наиболее интересных идей, которые пытаются внедрить, является охлаждение системы жидкостью, которая будет собирать тепло по мере течения по трубам в самом компьютере. Проекты, которые входят в топ-500 самых мощных суперкомпьютеров, воспринимают это очень серьезно.
Обращение к проблемам экологии и эффективности не только полезно для нашей планеты, но и необходимо для работы машин. Возможно, это не самый интересный пункт в нашем списке, поэтому давайте пойдем дальше.
Для чего нужна высокая производительность
Дополнительная вычислительная мощность понадобится и на ПК, и на смартфонах. И не только для кривого и тормозного софта, но и для реально сложных вычислительных задач.
Например, сейчас разработаны лингвистические системы нового поколения на больших языковых моделях (LLM), такие как LaMDA (Language Model for Dialogue Applications), BERT и GPT-3. Некоторые даже считают их прорывом в исследованиях сильного ИИ.
Эти модели поддерживают полноценный диалог с человеком на любые темы, но требуют огромных вычислительных ресурсов. Сейчас поговорить LaMDA можно только на суперкомпьютере, такая возможность есть у редких исследователей.
Мощные CPU нового поколения, а также инновации в многоуровневой упаковке микросхем памяти DDR5 (в продаже уже появились модули DDR5 на 96 ГБ) дают надежду, что в будущем упрощённая модель LaMDA сможет жить на обычном домашнем ПК или смартфоне.
Или посмотрим на ситуацию с другой стороны. Микросхемы с той же производительностью будут потреблять в несколько раз меньше энергии. Это позволит выпускать ноутбуки, смартфоны и другие устройства, которые работают от батарейки несколько дней и недель. К сожалению, в реальности такое обычно не происходит из-за парадокса Джевонса: повышение эффективности использования ресурса ведёт не к уменьшению, а к увеличению его потребления. Получается, чем энергоэффективнее микросхемы, тем больше ёмкость аккумулятора.
Читайте также: