Czy szybkość procesora już złamała prawo Moore'a?


36

Pamiętam, że około 1995 roku miałem komputer z prędkością procesora 75 MHz.

Następnie kilka lat później około 1997 r., Mając jeden, który wynosił 211 MHz.

Następnie kilka lat później około 2000 r. Z częstotliwością 1,8 GHz, a następnie około 2003 r. Z częstotliwością około 3 GHz.

Teraz prawie 8 lat później są one nadal maksymalne przy 3 GHz. Czy to z powodu prawa Moore'a?

Odpowiedzi:


51

Po pierwsze, pamiętaj, że prawo Moore'a nie jest prawem, to tylko obserwacja. I nie ma to nic wspólnego z prędkością, i to nie bezpośrednio.

Pierwotnie była to tylko obserwacja, że ​​gęstość komponentów prawie się podwaja w każdym [okresie], to wszystko, nie ma nic wspólnego z prędkością.
Jako efekt uboczny skutecznie sprawiał, że rzeczy były zarówno szybsze (więcej rzeczy na tym samym chipie, odległości są bliższe), jak i tańsze (potrzeba mniejszej liczby chipów, więcej chipów na płytkę krzemową).

Istnieją jednak ograniczenia. Ponieważ projektowanie układów odbywa się zgodnie z prawem Moore'a, a komponenty stają się mniejsze, pojawiają się nowe efekty. Gdy komponenty stają się mniejsze, stają się one większe w stosunku do ich wielkości, a prąd wycieka, dlatego trzeba pompować więcej prądu do układu. W końcu tracisz wystarczająco dużo soku, aby rozgrzać chip i marnować więcej prądu, niż możesz użyć.

Chociaż nie jestem pewien, jest to prawdopodobnie obecne ograniczenie prędkości, że komponenty są tak małe, że trudniej jest zapewnić stabilność elektroniczną. Są nowe materiały, które mogą temu pomóc, ale dopóki nie pojawi się jakiś szalenie nowy materiał (diamenty, grafen), zbliżymy się do surowych ograniczeń prędkości MHz.

To powiedziawszy, CPU MHz nie jest prędkością komputera, tak jak moc nie jest prędkością dla samochodu. Istnieje wiele sposobów na przyspieszenie działania bez szybszego górnego numeru MHz.

PÓŹNA EDYCJA

Prawo Moore'a zawsze odnosiło się do procesu, w którym można podwoić gęstość chipów w regularnych, powtarzających się ramach czasowych. Teraz wydaje się, że proces poniżej 20 nm może zostać zatrzymany. Nowa pamięć jest wysyłana w tym samym procesie co stara pamięć . Tak, to pojedynczy punkt, ale może być zwiastunem przyszłości.

KOLEJNA PÓŹNA EDYCJA Artykuł w Ars Technica, ale uznający go za martwy . Było fajnie mieć cię od 50 lat.


34
Bardzo ważne jest, aby pamiętać, że 3GHz i7, powiedzmy, jest o rząd wielkości szybszy niż 3GHz P4 - i że prędkości zegara mogą iść znacznie szybciej, po prostu generują znacznie więcej ciepła i jest większa różnica w dodawaniu dodatkowych rdzeni.
Phoshi

11
„Prawo Moore'a nie jest prawem, to tylko obserwacja” Technicznie takie jest każde prawo: po prostu obserwacja (taka jak obserwacja Keplera, że ​​linia łącząca planetę i Słońce wymiata równe obszary w równych odstępach czasu; wiem dlaczego planety to zrobił, on po prostu zauważył, że oni zrobili ). W fizyce słowo to jest po prostu używane o wiele mocniej (zwykle oznacza: nietykalne).
Błoto

bardzo dobry ostatni punkt, wydaje się, podczas gdy prędkości procesorów uległy stagnacji, inne obszary (mianowicie prędkość dysku) nadrobiły zaległości, czyniąc dzisiejsze komputery znacznie lepszymi niż te sprzed kilku lat
Doug T.

11
@doug T; Prędkości procesora uległy / nie uległy stagnacji. Spójrz na mit megahercowy . Szybkość zegara nie przyspieszyła, ale o ile wzrosła liczba procesorów przetwarzanych w każdym cyklu zegara, a niektóre procesory - takie jak i7 - są zadowolone z podniesienia częstotliwości taktowania 1-1,5 GHz, jeśli można oddala ciepło i dostarcza energię. Przyspieszą też, jeśli pojedynczy wątek wymaga znacznie więcej niż czegokolwiek innego. Zwiększenie prędkości zegara nie jest już opłacalne, po prostu ze względu na moc cieplną.
Phoshi

1
W swoim oryginalnym artykule Moore nie powiedział nic o wielkości tranzystora ani gęstości. Mówił o tranzystorach / pakiecie. Obserwował wydajność (procent tranzystorów, które są dobre) w porównaniu z kosztami pakowania. Znaczna część podwojenia, które miało miejsce w latach 1965–1975, była spowodowana większą ilością żetonów. Mogą występować pewne podwojenie tranzystorów / paczki z powodu większych układów lub układania 3D.
Wandering Logic

37

2
Gęstość tranzystora jest ograniczona przez takie wielkości, jak rowy, bramy itp. Obecne technologie budują bramy o grubości tlenku zaledwie kilku atomów. Kiedy dotrzesz do bramek tlenków o grubości około 3-4 atomów, trudno jest zobaczyć, gdzie pójść dalej.
Szybko_niedz.

@quickly_now ... Przestań używać bram? bez wątpienia półprzewodnik zapewni dodatkowe możliwości, gdy będzie tańszy.
Anonimowy typ

@quickly_now: Na nanotechnologię, a gdy pojawi się Osobliwość, szybko wkrocz w niewyobrażalne sfery technologii kwantowej!
paradroid

ha ha ha ... istnieją NIEKTÓRE ograniczenia, które dyktują prawa fizyki. JEDNAK częstotliwość operacji to inna sprawa ...
Szybko_niedz.

15

Im większa prędkość zegara, tym większe muszą być spadki napięcia, aby uzyskać spójny sygnał. Im większe napięcie musi wzrosnąć, tym więcej mocy jest potrzebne. Im więcej mocy jest potrzebne, tym więcej ciepła wydziela Twój układ. To powoduje szybsze niszczenie żetonów i spowalnia je.

W pewnym momencie po prostu nie warto już zwiększać prędkości zegara, ponieważ podwyższona temperatura byłaby większa niż byłoby dodanie kolejnego rdzenia. Właśnie dlatego wzrosła liczba rdzeni.

Po dodaniu większej liczby rdzeni ciepło wzrasta liniowo. Tzn. Istnieje stały stosunek prędkości zegara do poboru mocy. Dzięki przyspieszeniu rdzeni istnieje kwadratowa zależność między ciepłem a cyklem zegara. Kiedy dwa współczynniki są równe, czas na kolejny rdzeń.

Jest to niezależne od prawa Moore'a, ale ponieważ pytanie dotyczy liczby cykli zegara, a nie liczby tranzystorów, wyjaśnienie to wydaje się trafniejsze. Należy zauważyć, że prawo Moore'a ma swoje własne ograniczenia.

EDYCJA: Więcej tranzystorów oznacza więcej pracy na cykl zegara. Jest to bardzo ważna cecha, która czasem zostaje przeoczona (możliwe jest, że procesor 2 GHz przewyższy procesor 3GHz) i jest to obecnie główny obszar innowacji. Tak więc, mimo że prędkości zegara były stałe, procesory są coraz szybsze w tym sensie, że mogą wykonać więcej pracy na jednostkę czasu.

EDYCJA 2: Oto interesujący link, który zawiera więcej informacji na powiązane tematy. Może ci się to przydać.

EDYCJA 3: Problem związany z równoległością nie jest związany z liczbą całkowitych cykli zegara (liczba rdzeni * cykli zegara na rdzeń). Jeśli program nie może zrównoważyć swoich instrukcji, fakt, że masz więcej rdzeni, nic nie znaczy. Może używać tylko jednego na raz. Był to o wiele większy problem niż obecnie. Obecnie większość języków obsługuje równoległość znacznie bardziej niż kiedyś, a niektóre języki (głównie funkcjonalne języki programowania) sprawiły, że stała się ona podstawową częścią języka (patrz przykłady Erlang , Ada i Go ).


+1 - To jest odpowiedź na pytanie łączące gęstość + prędkość + ciepło = prawo Moore'a.
SChepurin

11

Prawo Moore'a przewidywało, że liczba tranzystorów podwoi się co 18 miesięcy. W przeszłości oznaczało to, że prędkości zegara mogły się podwoić. Gdy osiągnęliśmy około 3 GHz, producenci sprzętu zdali sobie sprawę, że uderzają wbrew prędkości ograniczenia światła.

Pamiętasz, jak prędkość światła wynosi 299 792 458 metrów / sekundę? Oznacza to, że na maszynie 3 GHz światło będzie podróżowało około jednej trzeciej metra w każdym cyklu zegara. To światło podróżujące w powietrzu. Weź pod uwagę, że energia elektryczna jest wolniejsza, a bramy i tranzystory są jeszcze wolniejsze i nie można wiele zrobić w tym czasie. W rezultacie taktowanie zegara nieco spadło, a zamiast tego sprzęt przesunął się w kierunku wielu rdzeni.

Herb Sutter mówił o tym w swoim artykule z 2005 roku „Darmowy lunch się skończył”:

http://www.gotw.ca/publications/concurrency-ddj.htm


2
c / 3GHz = 9,993 cm google.com/search?q=(299792458m/s)/(3e9/s)= - Biorąc quickly_nowpod uwagę komentarz, sygnał może podróżować około 6 cm na takt zegara 3GHz. To nie jest bardzo daleko.
tylerl

1
Krzem wytwarza około 500 GHz; nanorurki węglowe mają> 4THz. Rozpraszanie i interkonekty ograniczają dzisiejsze układy scalone. Przed nami długa droga.
tyblu

2
@tyblu - światło podróżuje 75 mikronów w takcie zegara 4THz. To, jak możesz oczekiwać, że zrobisz z tym użyteczne obwody, jest poza mną.
tylerl

3
@tylerl, nie wiem, ale spodziewam się, że nasze dzieci to zrozumieją! ;)
tyblu

1
@tylerl, obecne tranzystory mają około 0,3 mikrona, więc 75 mikronów może uzyskać sygnał na ~ 250 z nich, myślę, że nazwałbym to użytecznym.
Hydaral

10

Chipy na bazie krzemu mają ogólny limit zegara około 5 GHz, zanim dosłownie zaczną się topić. Przeprowadzono badania nad zastosowaniem arsenu galu (GaAs), który pozwoliłby chipom na wyższe częstotliwości taktowania, jak w setkach GHz, ale nie jestem pewien, jak daleko to się wydarzyło.

Ale prawo Moore'a ma związek z tranzystorami na chipie, a nie z wydajnością czy szybkością zegara. Pod tym względem można powiedzieć, że nadal przestrzegamy prawa Moore'a, rozgałęziając się na wiele rdzeni przetwarzających wciąż na tym samym układzie.

Zgodnie z artykułem Wikipedii na temat prawa Moore'a oczekuje się, że potrwa do 2015 roku.

Jeśli chcesz poznać inny sposób, w jaki możemy mieć szybsze procesory przy tych samych częstotliwościach zegara, ma to również związek z liczbą instrukcji, które można wykonać na impuls zegarowy. Liczba ta stale rośnie przez lata.

Oś czasu instrukcji na sekundę jest dobrym wykresem liczby instrukcji na cykl zegara.


+1 za wzmiankę, że rdzenie rosną jako alternatywa dla zwiększania gigaherca
Matthew Lock

Mam nadzieję, że uda im się uzyskać pamięć RAM, aby dogonić szybkość procesora 100 GHz ...
LawrenceC

7

Nie jestem ekspertem w dziedzinie fizyki i fizyki, ale od 1981 r. Kupowałem komputery mniej więcej co trzy do czterech lat (w 1981 r. Kupiłem swój pierwszy, Sinclair ZX81, a trzy lata później Commadore 64, naprawdę zabawki, a potem mój pierwszy IBM klon w 1987), więc mam 30 lat „danych terenowych” na ten temat.

Nawet używając mojego pierwszego klonu IBM w '87 jako punktu wyjścia (który miał 640k pamięci RAM i 32 MB dysku twardego), mnożąc wszystko przez dwa co 18 miesięcy, dziś otrzymuję 10 GB pamięci RAM i dysk twardy 1 TB. CHOLERA ZAMKNIJ !!!! Tylko trochę za dużo pamięci RAM i trochę mniej HD niż to, co dziś siedzi na moim biurku.

Biorąc pod uwagę, że to „prawo” było oczywiście przewidziane jako ogólne oczekiwanie wykładniczego wzrostu mocy komputera w przyszłości, byłem szczerze zszokowany tym, jak dokładne było ono w zasadzie przez trzy dekady. Gdyby tylko „cywilne podróże kosmiczne”, „roboty osobiste” i „samochody unoszące się w powietrzu” odnotowały podobny wykładniczy wzrost. Szkoda.

Ale z ostrego punktu widzenia użytkownika, prawo Moore'a wydaje się działać NA TERAZ.


moderator skraca wiele odpowiedzi:

Chociaż prawo Moore'a wyraźnie odnosi się do liczby tranzystorów w mikroczipie, jest to JEDEN POJEDYNCZY punkt odniesienia w znacznie, znacznie większym świecie technologii rozwijających się w tempie wykładniczym.

Rozłączenie się z prędkością zegara nie ma sensu. Wystarczy spojrzeć na testy porównawcze procesorów PassMark: http://www.cpubenchmark.net/high_end_cpus.html , aby przekonać się, że komputery stają się ZNACZNIE mocniejsze Z KAŻDEGO DNIA.

Liczba tranzystorów na chipie jest po prostu jednym z elementów zwiększających dzisiejszą moc komputera.

Chociaż nie jestem Moore'iem ani go nie znam, domyślam się, że w szerszym znaczeniu jego prawo było próbą przewidzenia wykładniczego wzrostu mocy obliczeniowej. Wybrał „liczbę tranzystorów na chipie” jako BETON i najważniejsze, KWANTYFIKOWALNE kryterium, w przeciwieństwie do znacznie bardziej „dwuznacznego i trudnego do udowodnienia” twierdzenia, że ​​„moc komputera podwoi się co kilka lat”. Aby udowodnić swoją teorię, najwyraźniej potrzebne było coś, co można łatwo zmierzyć jako miernik. Ale przejdę tutaj do końca i zasugeruję, że przewiduje większy trend dotyczący KAŻDEGO aspektu komputerów.


Nie była do końca dokładna, była też częściowo samospełniającą się przepowiednią, ponieważ często słyszy się, jak Intel i inni aktywnie ją realizują. Wiem oczywiście, że nie może to być ich jedyna uwaga. Jeśli chodzi o „władzę”, to na pewno ją złamali, ponieważ przynajmniej obecnie potrzeba 5 lat na „podwojenie” wydajności za te same pieniądze. 10+ lat temu i wstecz zajęło to około roku.
jiv

1

Nadal możemy sprawić, aby procesory działały szybciej z krzemem (ale nie za dużo szybciej), ale w tym momencie taniej / wydajniej jest po prostu zmniejszać procesory (lub ich rdzenie) i umieszczać więcej z nich na matrycy. Nowsze materiały, takie jak grafen, wydmuchują krzem z wody pod względem prędkości przełączania tranzystora, ale musimy jeszcze opanować proces produkcji. Bądź cierpliwy, nadejdzie większa prędkość, prawdopodobnie wcześniej niż później.

Korzystając z naszej strony potwierdzasz, że przeczytałeś(-aś) i rozumiesz nasze zasady używania plików cookie i zasady ochrony prywatności.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.