Lei de Breaking Moore: Como os fabricantes de chips estão levando os PCs a novos níveis

Não há duas maneiras de contornar isso: o PC está desacelerando com a idade.

Isso pode ser um pouco duro. -computadores são mais rápidos e menores do que nunca - mas o desempenho do processador simplesmente não está avançando em seu ritmo alucinante passado. Ao mesmo tempo, saltos de 50 a 60 por cento no desempenho ano a ano eram comuns. Agora, melhorias de 10% a 15% são a norma

Felizmente, os computadores de mais de cinco anos de idade ainda podem lidar com as tarefas do dia a dia, então a lentidão no desempenho não é um problema enorme. Além disso, é bom não ter que substituir o seu PC a cada dois anos durante uma economia em baixa. Mas a tecnologia não avança aderindo ao status quo. O futuro precisa de de velocidade !

"Eu não acho que existam quaisquer ifs ou buts sobre isso. Arquiteturas heterogêneas são o caminho do futuro."

Felizmente, o Os maiores nomes dos processadores de PC não estão satisfeitos com o status quo. Os fabricantes de chips estão trabalhando furiosamente para resolver os problemas causados ​​pela desaceleração da Lei de Moore e a subida do muro de energia, em uma tentativa de manter o desempenho do pedal no metal. Então, que tipos de truques radicais eles têm em suas mangas? ? Vários tipos diferentes, na verdade - e cada um detém um grande potencial para o futuro. Vamos dar uma olhada por trás da cortina.

Intel: Construindo sobre os ombros dos gigantes

Wikipedia / Wikimedia CommonsChip transistor conta ao longo dos anos. (Clique para expandir.)

Podemos atribuir os insignificantes ganhos de desempenho de hoje a uma quebra na Lei de Moore? Não é bem assim. A lendária linha de Moore pode ser freqüentemente citada erroneamente para falar sobre o desempenho da CPU, mas a letra da lei gira em torno do número de transistores em um circuito que duplica a cada dois anos. Enquanto outros fabricantes de chips lutam para reduzir transistores e espremer mais deles em um chip, a Intel - a empresa que Moore mesmo fundou - acompanhou a Lei de Moore desde seu enunciado, uma conquista que pode ser colocada aos pés do pequeno exército de engenheiros da Intel. Não apenas engenheiros, porém

Engenheiros inteligentes

À medida que os transistores se tornam mais compactados, as preocupações com aquecimento e eficiência de energia se tornam grandes problemas. Agora que os transistores estão chegando a tamanhos quase infinitesimalmente pequenos - cada um dos mais de um bilhão de transistores nos chips Ivy Bridge da Intel mede 22 nanômetros (nm), ou aproximadamente 0,000000866 de polegada - conquistar esses problemas leva a um pensamento criativo. difícil ", disse o gerente técnico de produção da Intel, Chuck Mulloy, em entrevista por telefone. "Realmente, realmente

difícil. Quer dizer, estamos no nível atômico."

Para manter o progresso em andamento, a Intel fez algumas mudanças significativas no design de base dos transistores no passado. década. Em 2002, a empresa anunciou que estava migrando para o chamado "silício esticado", que aumentou o desempenho do chip em 10 a 20 por cento ao deformar ligeiramente a estrutura dos cristais de silício. Entretanto, o poder de Mo significa problemas com mo. Especificamente, como os transistores continuam encolhendo, eles sofrem com o aumento do "vazamento" de elétrons, o que os torna muito menos eficientes. Dois ajustes recentes combatem esse vazamento de novas maneiras. Sem ficar muito nerd, a empresa começou trocando os isoladores de dióxido de silício padrão dos transistores em favor de isoladores de "high-k metal gate" mais eficientes durante sua mudança para o Processo de fabricação de 45nm. Parece simples, mas na verdade foi um grande negócio. Isso foi seguido por uma mudança ainda mais monumental, com a introdução da tecnologia de transistores "tri-gate" ou "3D" nos atuais chips Ivy Bridge da Intel. Imagem da IntelAn comparando o fluxo de elétrons através da planar (esquerda) e tridimensional. gate (direita) transistores. Os elétrons em transistores de três portas fluem no plano vertical, comparado ao fluxo plano dos transistores planares tradicionais.

Os transistores "planares" tradicionais têm um par de "portões" em ambos os lados dos canais que transportam elétrons. Os transistores tri-gate quebraram o pensamento bidimensional com a adição de um terceiro portal

sobre

o canal, conectando os dois portões laterais. O design melhora a eficiência reduzindo o vazamento enquanto reduz as necessidades de energia. Mais uma vez, parece simples, mas a fabricação de transistores tridimensionais requer uma precisão técnica

imensa . No momento, a Intel é a única processadora de processadores de chips com transistores 3D. Então, o que vem a seguir para a Intel? A empresa não está dizendo. De fato, Mulloy diz que qualquer tecnologia que a empresa possa usar, como o próximo processo de fabricação de litografia ultravioleta de última geração, entra em um "buraco negro" de RP anos antes de a Intel introduzi-la em seus chips. Mas, ressaltou, as melhorias anteriores discutidas acima não param apenas quando são apresentadas ao público. "As pessoas tendem a pensar 'A Intel usou isso, agora eles estão no próximo passo'", disse Mulloy. disse. "O silício tenso não desapareceu quando adicionamos os recursos do high-k metal gate. O high-k metal gate não desapareceu quando fomos para os transistores de três portas - ainda estamos construindo e melhorando isso. Nós Estamos na quarta geração de silício tenso, a terceira geração do high-k metal gate e nossos próximos chips de 14nm serão a segunda geração do tri-gate. " A melhor tecnologia de chip lá está cada vez melhor, em Em outras palavras, Ah, e pelo que vale a pena, a Intel acha que a Lei de Moore continuará inabalada por pelo menos mais duas gerações de transistores e encolhedores.

AMD: Computação paralela por completo

A Intel não é a única fabricante de chips na cidade. Em vez de apostar apenas em melhorias para a tecnologia de transistores, a rival AMD acredita que o futuro do desempenho depende da redução de folga das CPUs, transferindo parte da carga de trabalho para outros processadores que podem ser mais adequados para tarefas específicas. Processadores gráficos, por exemplo, fumaça através de tarefas que exigem uma infinidade de cálculos simultâneos, como quebra de senhas, mineração de Bitcoin e muitos usos científicos. Já ouviu falar em computação paralela? É disso que estamos falando.

AMDO design de uma APU AMD baseada nos padrões HSA.

"Entrar em nós menores no lado do transistor aumenta o desempenho [da CPU] em 6 a 8 para talvez 10 por cento, ano a ano ", diz Sasa Marinkovic, um fabricante sênior de marketing de tecnologia da AMD. "Mas adicionar uma GPU com recursos de computação da GPU oferece ganhos muito maiores. Por exemplo, para o Internet Explorer 8 e o IE9, o desempenho foi 400%

quatro vezes

o desempenho da geração anterior, e tudo graças a [IE9] aceleração de GPU. "

" Nós vemos esse tipo de desempenho pulando dentro do limite de potência de hoje, ou você pode diminuir muito o poder e ver o mesmo desempenho [que você tem hoje] ", diz Marinkovic. A AMD está avançando em direção a uma arquitetura de sistema heterogênea - o método de distribuir a carga de trabalho entre vários processadores em um único chip é chamado de unidades populares de processamento acelerado, ou APUs, incluindo a que liga o próximo console de videogame PlayStation 4. As APUs contêm núcleos de CPU tradicionais e um grande núcleo gráfico Radeon no mesmo molde, conforme mostrado no diagrama de blocos acima. O CPU e GPU nas APUs da próxima geração da Kaveri da AMD compartilharão o mesmo pool de memória, desfocando ainda mais as linhas e oferecendo desempenho ainda mais rápido. A AMD não é a única fabricante de chips a apoiar a ideia da computação paralela. A empresa foi um membro fundador da HSA Foundation, um consórcio de grandes fabricantes de chips - embora sans Intel e Nvidia - que estão trabalhando juntos para criar padrões que devem facilitar a programação para computação paralela no futuro.

É bom que as empresas líderes do setor forneçam a espinha dorsal da visão da HSA Foundation, pois para que o grande futuro heterogêneo da computação paralela se concretize, os programas e aplicativos precisam ser escritos especificamente para tirar proveito do projetos de hardware.

HSA Foundation

"O software é a chave", admite Marinkovic. "Quando você olha para APUs com [compatibilidade HSA completa] e sem HSA completa, o software terá que mudar. Mas será uma mudança para melhor. Onde queremos chegar é código-uma vez, e use em todos os lugares. você tem a arquitetura HSA em todas essas diferentes empresas da HSA Foundation, esperamos que você seja capaz de escrever um programa para um PC e executá-lo em seu smartphone ou tablet com pequenos ajustes ou compilações. " Você já pode encontrar o aplicativo interfaces de processamento (APIs) que permitem a computação GPU paralela, como a plataforma CUDA da Nvidia GeForce, a API DirectCompute integrada ao DirectX 11 no sistema Windows e o OpenCL, uma solução de código aberto gerenciada pelo Khronos Group. a aceleração de hardware está aumentando entre os desenvolvedores de software, embora a maioria dos programas manipule gráficos intensivos de alguma forma. O Internet Explorer e o Flash estão no movimento, por exemplo. Na semana passada, a Adobe anunciou que estava adicionando suporte OpenCL para a versão Windows do Premiere Pro. De acordo com representantes, os usuários com placas gráficas ou APUs da AMD poderão acessar a aceleração da GPU para editar vídeos HD e 4K em tempo real, ou exportar vídeos até 4,3 vezes mais rápido que o software não-acelerado básico.

"I Não pense que há algum ifs ou buts sobre isso ", diz Marinkovic. "Arquiteturas heterogêneas

são

o caminho do futuro."

OPEL: Até agora, silício, olá, arsenieto de gálio!

Mas esse futuro é baseado na tecnologia de silício, como a computação de hoje é?

Definitivamente, a curto prazo. Definitivamente não, a longo prazo. Em algum momento do futuro, os especialistas não sabem exatamente quando o silício atingirá seus limites e simplesmente não será capaz de ser levado adiante. Os fabricantes de chips terão de mudar para outro material. A visão de um transistor de arsenieto de índio-gálio fabricado por pesquisadores do MIT. Esse dia está muito longe, mas os pesquisadores já estão explorando alternativas. Processadores de grafeno recebem muita publicidade como um potencial sucessor de silício, mas a OPEL Technologies acredita que o futuro está no arseneto de gálio. A OPEL está aperfeiçoando a tecnologia de arsenieto de gálio no coração de sua plataforma POET (Planar Opto Electronic Technology) há mais de 20 anos, e a empresa trabalhou com a BAE e o Departamento de Defesa dos EUA (entre outros) para validá-la. Enquanto o processador passado incorpora arsenieto de gálio e terminou em decepção leve, os representantes da OPEL dizem que sua tecnologia proprietária está pronta para o grande momento. A OPEL só recentemente saiu da fase de P & D e não tentou fazer transistores delicados na Ivy Bridge 20nm, mas a empresa alega que a 800nm, os processadores de arsenieto de gálio são mais rápidos que os atuais

e

usam aproximadamente a metade da tensão.

"Se você quisesse combinar a velocidade dos processadores de silício de hoje, com um clock de aproximadamente 3GHz, você não precisaria baixar para 20 ou 30 nanômetros ", diz o cientista-chefe da OPEL, Dr. Geoffrey Taylor. "Heck, você provavelmente poderia acertar isso em 200nm". E isso é usando tecnologia planar,

não

transistores 3D.

Um dos maiores problemas que qualquer alternativa de silício enfrenta é que o silício é a tecnologia mais avançada do mundo, com bilhões investidos na fabricação de processadores de silício para máxima eficiência. Será difícil convencer a Intel, a AMD, a ARM e a HSA Foundation a abandonar tudo isso por um novo material. A OPEL diz que sua tecnologia tem uma grande sobreposição com os atuais métodos de fabricação de silício.

"É escalonável e está ligado ao CMOS", diz o diretor executivo Peter Copetti. "Isso é muito importante. Em nossas discussões com diferentes fundições e empresas de semicondutores, a primeira coisa que eles perguntam é 'Eu tenho que reequipar minhas instalações?' O investimento aqui é mínimo porque o nosso sistema é complementar ao que está por aí agora. " A Opel também afirma que suas bolachas são reutilizáveis. Agência Espacial Européia Uma sala limpa da Agência Espacial Européia para fabricação de cavacos. O International Technology Roadmap para Semicondutores identificou o arsenieto de gálio como um possível substituto de silício entre 2018 e 2026. Ainda há uma tonelada de testes e transições a serem feitos antes que o arseneto de gálio capture

qualquer do mercado de processadores para PC. Mas se até mesmo uma fração das alegações da OPEL for verdadeira, sua tecnologia poderia muito bem alimentar os processadores do futuro. Bem, pelo menos até que nós quebremos os transistores moleculares ou a computação quântica. Mas esse é um artigo totalmente diferente … Passeando em direção a um amanhã que derrete o rosto

Então, depois de tudo isso - ufa! - você tem uma ideia melhor de para onde vai o futuro do desempenho do PC. As iniciativas da Intel, AMD e OPEL lidam com grandes problemas de maneiras decididamente diferentes, mas isso é bom. Você não quer todos os seus ovos em potencial em uma única cesta, afinal.

E o melhor de tudo, se todas essas peças díspares do quebra-cabeças de desempenho do PC forem bem sucedidas, elas

poderiam

teoricamente se fundir De forma semelhante à Voltron, para criar um processador de arsenieto de gálio tri-gate, ultrassensível e assistido por GPU, que poderia tirar as calças dos processadores Core i7 de hoje. A curva de desempenho de hoje pode ser achatada, mas o futuro nunca pareceu tão bestial