Snabbare, tunnare, billigare: Är Koomeys lag New Moore's Law?

Bärbara datorer, mobiler och surfplattor blir billigare, snyggare och kraftfullare varje år, medan batteriets livslängd fortsätter att bli längre. Har du någonsin undrat varför detta är och om enheter kan fortsätta att förbättras för alltid?

Svaret på den första frågan förklaras av tre lagar som forskare upptäckte, känd som Moores lag, Dennard-skalning och Koomeys lag. Läs vidare för att förstå effekterna av dessa lagar på datorer och vart de kan leda oss i framtiden.

Vad är Moores lag?

Om du är en vanlig MakeUseOf-läsare är du möjligen medveten om den mytiska Moores lag.

Intels VD och medgrundare Gordon Moore introducerade den först 1965.

Han förutspådde att antalet transistorer på ett chip skulle fördubblas ungefär vartannat år och bli mellan 20 och 30 procent billigare att göra årligen. Intels första processor släpptes 1971 med 2250 transistorer och en yta på 12 mm². Dagens processorer rymmer hundratals miljoner transistorer per millimeter kvadrat.

Även om det började som en förutsägelse, antog industrin också Moores lag som en färdplan. Under fem decennier tillät lagens förutsägbarhet företag att formulera långsiktiga strategier, med vetskap om att, även om deras design var omöjlig i planeringsstadiet, skulle Moores lag leverera varorna på lämpligt sätt ögonblick.

Detta hade en påfrestande effekt på många områden, från den ständigt förbättrade spelgrafiken till det ballongmässiga antalet megapixlar i digitalkameror.

Lagen har dock en hållbarhet, och framstegstakten saktar ner. Även om chiptillverkare fortsätter hitta nya sätt runt gränserna för kiselchips, Tror Moore själv att det inte längre kommer att fungera i slutet av detta decennium. Men det kommer inte att vara den första teknologilagen som försvinner.

När Moores lag slutar: 3 alternativ till kiselchips

Moores lag har dikterat takten i den tekniska utvecklingen i årtionden. Men vad händer när dess fysiska gränser uppnås?

Vad har någonsin hänt med Dennard Scaling?

1974 observerade IBM-forskaren Robert Dennard att, när transistorer krymper, förblir deras energianvändning proportionellt mot deras område.

Dennard-skalning, som det blev känt, innebar att transistorområdet minskade med 50 procent var 18: e månad, vilket ledde till en klockhastighetsökning på 40 procent, men med samma strömförbrukning.

Med andra ord skulle antalet beräkningar per watt växa i en exponentiell men tillförlitlig takt och transistorer skulle bli snabbare, billigare och använda mindre effekt.

I en tid av Dennard-skalning var förbättring av prestanda en förutsägbar process för chiptillverkare. De lade bara till fler transistorer till processorer och ökade klockfrekvenser.

Detta var också lätt för konsumenten att förstå: en processor som körde på 3,0 GHz var snabbare än en som körde på 2,0 GHz, och processorerna blev snabbare. Faktum är att International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) en gång förutspådde klockfrekvenser skulle nå 12 GHz före 2013!

Men idag har de bästa processorerna på marknaden en basfrekvens på bara 4,1 GHz. Vad hände?

Slutet på Dennard-skalning

Klockhastigheter fastnade i lera runt 2004 när minskningen av energianvändningen slutade följa med transistors krympningshastighet.

Transistorerna blev för små och den elektriska strömmen började läcka ut och orsakade överhettning och höga temperaturer, vilket ledde till fel och skador på utrustningen. Det är en av anledningarna varför ditt datorchip har en kylfläns. Dennard Scaling hade nått gränser som dikterats av fysikens lagar.

Fler kärnor, fler problem

Med kunder och hela branscher vana vid ständiga hastighetsförbättringar behövde chiptillverkare en lösning. Så de började lägga till kärnor till processorer som ett sätt att fortsätta öka prestandan.

Flera kärnor är dock inte lika effektiva som att bara höja klockhastigheter på enkärniga enheter. De flesta programvaror kan inte dra nytta av multiprocessing. Memory caching och strömförbrukning är ytterligare flaskhalsar.

Övergången till flerkärniga marker varnade också införandet av mörkt kisel.

Silikonets mörka tidsålder

Det blev snart uppenbart att om för många kärnor används samtidigt kan den elektriska strömmen läcka och återuppväcka överhettningsproblemet som dödade Dennards skalning på enkärniga chips.

Resultatet är processorer med flera kärnor som inte kan använda alla sina kärnor samtidigt. Ju fler kärnor du lägger till, desto fler av chipets transistorer måste stängas av eller sakta ner, i en process som kallas "mörkt kisel".

Så även om Moores lag fortsätter att låta fler transistorer passa på ett chip, äter mörkt kisel bort CPU-fastigheter. Därför blir det meningslöst att lägga till fler kärnor, eftersom du inte kan använda dem alla samtidigt.

Att upprätthålla Moores lag med flera kärnor verkar vara en återvändsgränd.

Hur Moores lag kunde fortsätta

Ett botemedel är att förbättra multiprocessing av programvara. Java, C ++ och andra språk som är utformade för enstaka kärnor kommer att ge plats för sådana som Go, som är bättre att köra samtidigt.

Ett annat alternativ är att öka användningen av fältprogrammerbara grindmatriser (FPGA), en typ av anpassningsbar processor som kan omkonfigureras för specifika uppgifter efter köpet. Till exempel kan en FPGA optimeras av en kund för att hantera video samtidigt eller kan anpassas speciellt för att köra applikationer för artificiell intelligens.

Att bygga transistorer av olika material, såsom grafen, är ett annat område som undersöks för att pressa ut mer liv från Moores förutsägelse. Och långt ner på linjen kan kvantberäkning förändra spelet helt.

Framtiden tillhör Koomeys lag

År 2011 visade professor Jonathan Koomey att energieffektiviteten i toppeffekt (effektiviteten hos en processor som kör i högsta hastighet) ekade den processkraftbana som beskrivs i Moores lag.

Koomeys lag observerade att beräkningarna per joule energi hade fördubblats på ett tillförlitligt sätt var 1,57 år från 1940-talets vakuumrördjur till bärbara datorer. Med andra ord halverade batteriet som användes av en viss uppgift var 19: e månad, vilket resulterade i att den energi som behövs för en specifik beräkning sjönk med en faktor 100 varje decennium.

Medan Moores lag och Dennard-skalning var oerhört viktiga i en värld av stationära och bärbara datorer, så som vi använder processorer har förändrats så mycket att den energieffektivitet som utlovats av Koomeys lag troligen är mer relevant för du.

Ditt datorliv är sannolikt uppdelat mellan många enheter: bärbara datorer, mobiler, surfplattor och diverse prylar. I denna era av sprida databehandling, blir batteriets livslängd och prestanda per watt viktigare än att pressa ut mer GHz från våra många kärnprocessorer.

På samma sätt, med mer av vår bearbetning som läggs ut på massiva datacenter för molntjänster, är energikostnadseffekterna av Koomeys lag av stort intresse för tekniska giganter.

Sedan 2000 har dock den branschövergripande fördubblingen av energieffektiviteten som beskrivs av Koomeys lag avtagit på grund av slutet på Dennard-skalningen och retardationen av Moores lag. Koomeys lag levererar nu vart 2,6 år, och under ett decennium ökar energieffektiviteten med en faktor på bara 16, snarare än 100.

Det kan vara för tidigt att säga att Koomeys lag redan följer Dennard och Moore i solnedgången. År 2020 rapporterade AMD att energieffektiviteten för AMD Ryzen 7 4800H-processorn ökade med en faktor på 31.7 jämfört med 2014-processorerna, vilket ger Koomeys lag en snabb och betydande boost.

Relaterad: Apples nya M1-chip är en spelväxlare: allt du behöver veta

Omdefiniera effektivitet för att utvidga Koomeys lag

Effektivitet med toppeffekt är bara ett sätt att utvärdera datoreffektivitet och ett som nu kan vara inaktuellt.

Detta mått var mer meningsfullt under de senaste decennierna, när datorer var knappa, kostsamma resurser som tenderade att skjutas till sina gränser av användare och applikationer.

Nu kör de flesta processorer med topprestanda för bara en liten del av sina liv, till exempel när de kör ett videospel. Andra uppgifter, som att kontrollera meddelanden eller surfa på nätet, kräver mycket mindre ström. Som sådan blir den genomsnittliga energieffektiviteten i fokus.

Koomey har beräknat denna "effektiva användningseffektivitet" genom att dividera antalet operationer som utförs per år med den totala energianvändningen och hävdar att den bör ersätta standarden "toppanvändningseffektivitet" som används i originalet formulering.

Även om analys fortfarande ska publiceras förväntas effektiv användning mellan 2008 och 2020 ha fördubblades var 1,5: e år eller så, och återförde Koomeys lag till den optimala hastigheten sett när Moores lag var i sin främsta.

En konsekvens av Koomeys lag är att enheter kommer att fortsätta att minska i storlek och bli mindre kraftintensiva. Krympande - men ändå snabba - processorer kan snart vara så låga att de kan rita deras energi direkt från miljön, såsom bakgrundsvärme, ljus, rörelse och annat källor.

Sådana allestädes närvarande processbearbetningsenheter har potential att inleda den verkliga tidsåldern för Internet of Things (IoT) och få din smartphone att se lika föråldrad ut som de vakuumslangade fjärilarna på 1940-talet.

Men som forskare och ingenjörer upptäcker och implementerar fler och fler nya tekniker för att optimera "effektiv användning", den delen av datorns totala energianvändning kommer sannolikt att sjunka så mycket att vid typiska användningsnivåer kommer endast toppeffekt att vara tillräckligt mäta.

Peak-output-användning kommer att bli måttstocken för energieffektivitetsanalys igen. I detta scenario kommer Koomeys lag så småningom att stöta på samma fysiklagar som saktar ner Moores lag.

Dessa fysiklagar, som inkluderar termodynamikens andra lag, betyder att Koomeys lag kommer att sluta omkring 2048.

Quantum Computing kommer att förändra allt

Den goda nyheten är att då bör kvantberäkning vara välutvecklad, med transistorer baserade på enskilda atomer vanligt, och en ny generation forskare måste upptäcka en helt annan uppsättning lagar för att förutsäga framtiden för datoranvändning.

AMD vs. Intel: Vad är den bästa spelprocessorn?

Om du bygger en spel-PC och slits mellan AMD- och Intel-processorer är det dags att lära sig vilken processor som är bäst för din spelutrustning.

Om författaren