更快,更薄,更便宜:库米定律是新摩尔定律吗?

笔记本电脑,手机和平板电脑每年都变得更便宜,更时尚,功能更强大,而电池寿命却越来越长。您是否想知道为什么会这样,并且设备是否可以永远持续改进?

研究人员发现的三个定律解释了第一个问题的答案,这三个定律分别为摩尔定律,丹纳德定标和库米定律。请继续阅读以了解这些法律对计算机的影响以及它们在未来可能带给我们什么。

什么是摩尔定律?

如果您是常规的 读者,则可能已经了解神话般的摩尔定律。

英特尔首席执行官兼联合创始人戈登·摩尔(Gordon Moore)于1965年首次推出该产品。

他预测,芯片上的晶体管数量大约每两年就会翻一番,并且每年便宜20%至30%。英特尔的第一款处理器于1971年发布,具有2250个晶体管,面积为12 mm 2 。当今的CPU每平方毫米拥有数亿个晶体管。

尽管它起初只是一个预测,但该行业还采用了摩尔定律作为路线图。五十年来,法律的可预测性使公司能够制定长期战略,因为他们知道,即使在计划阶段不可能进行设计,摩尔定律也会在适当的时候交货。

从游戏图形的不断改进到数码相机中百万像素气球的数量激增,这在许多领域都产生了连锁反应。

但是,法律具有保质期,并且进展速度正在放缓。尽管芯片制造商一直在围绕硅芯片的极限寻找新的方法,但摩尔本人认为,到本十年末它将不再起作用。但是,这不会成为技术消失的第一个定律。

Dennard Scaling发生了什么?

1974年,IBM研究人员罗伯特·丹纳德(Robert Dennard)观察到,随着晶体管的缩小,其功耗仍与面积成比例。

众所周知,Dennard缩放意味着晶体管的面积每18个月减少50%,从而使时钟速度提高40%,但功耗却保持不变。

换句话说,每瓦的计算数量将以指数级但可靠的速率增长,并且晶体管将变得更快,更便宜并且使用更少的功率。

在Dennard扩展时代,提高性能曾经是芯片制造商可预测的过程。他们只是向CPU添加了更多晶体管,并提高了时钟频率。

消费者也很容易理解:运行于3.0 GHz的处理器比运行于2.0 GHz的处理器快,并且处理器不断提高。确实,国际半导体技术路线图(ITRS)曾经预测到2013年时钟速率将达到12GHz

如今,市场上最好的处理器的基本频率仅为4.1GHz。发生了什么?

Dennard缩放的终结

时钟速度在2004年左右陷入泥潭,当时功耗的下降停止与晶体管的缩小速度保持同步。

晶体管变得太小,电流开始泄漏,导致过热和高温,从而导致错误和设备损坏。这就是您的计算机芯片带有散热器的原因之一。 Dennard Scaling已达到物理定律规定的极限。

更多核心,更多问题

随着客户和整个行业习惯于不断提高速度,芯片制造商需要一种解决方案。因此,他们开始向处理器添加内核,以保持不断提高的性能。

但是,多核的效果不如简单地提高单核单元的时钟速度有效。大多数软件无法利用多处理功能。内存缓存和功耗是其他瓶颈。

向多核芯片的转移也预示着深色硅的到来。

硅的黑暗时代

很快变得很明显,如果同时使用过多的内核,电流可能会泄漏,从而使过热的问题复活,而过热的问题使Dennard在单核芯片上的规模缩小。

结果是无法同时使用所有内核的多核处理器。您添加的内核越多,在称为“黑硅”的过程中,必须关闭或降低芯片晶体管的数量。

因此,尽管摩尔定律继续让更多的晶体管安装在芯片上,但是深色硅正在吞噬CPU领域。因此,添加更多核心变得毫无意义,因为您无法同时使用所有核心。

使用多个核心来维持摩尔定律似乎是一个死胡同。

摩尔定律如何继续

一种补救措施是改善软件多处理。 Java,C ++和其他为单核设计的语言将被诸如Go之类的方式所取代,Go更擅长并发运行。

另一个选择是增加对现场可编程门阵列(FPGA)的使用,FPGA是一种可定制处理器,可以在购买后针对特定任务进行重新配置。例如,一个FPGA可以由客户优化以在处理视频的同时进行处理,或者可以专门用于运行人工智能应用程序。

用另一种材料(例如石墨烯)建造晶体管是另一个正在研究的领域,旨在从摩尔的预测中获得更多寿命。而且,量子计算可能彻底改变游戏。

未来属于库米定律

2011年,乔纳森·库姆(Jonathan Koomey)教授证明,峰值输出能量效率(以最高速度运行的处理器的效率)与摩尔定律所描述的处理能力轨迹相呼应。

Koomey定律观察到,从1940年代的真空管野兽到1990年代的笔记本电脑,每焦耳的能量计算每1.57年可靠地翻一番。换句话说,某项任务使用的电池每19个月减少一半,导致特定计算所需的能量每十年减少100倍。

尽管摩尔定律和Dennard缩放在台式机和笔记本电脑世界中非常重要,但我们使用处理器的方式已经发生了很大变化,以至于库米定律所承诺的能源效率可能与您更相关。

您的计算寿命可能会分散在许多设备之间:笔记本电脑,移动设备,平板电脑和其他小工具。在这个计算迅速增长的时代,电池寿命和每瓦性能变得比从我们的多核处理器中挤出更多GHz更为重要。

同样,由于我们将更多处理流程外包给大型云计算数据中心,因此,科美定律对能源成本的影响引起了科技巨头的极大兴趣。

然而,自2000年以来,由于Dennard缩放比例的终止和摩尔定律的减速,库米定律描述的全行业能效翻倍速度有所放缓。现在,库米定律每2.6年提供一次,并且在十年的过程中,能源效率仅提高了16倍,而不是100倍。

现在说库梅定律已经跟着Dennard和Moore落入夕阳还为时过早。 2020年,AMD报告称其AMD Ryzen 7 4800H处理器的能效比其2014年CPU提高了31.7倍,这给了库米定律带来了及时而实质性的提升。

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重新定义效率以扩展库米定律

峰值输出功率效率只是评估计算效率的一种方法,现在可能已经过时。

在过去的几十年中,当计算机匮乏,昂贵的资源趋于被用户和应用程序推向极限时,该指标变得更有意义。

现在,例如,运行视频游戏时,大多数处理器在其一生中只有一小部分处于最高性能。其他任务,例如检查消息或浏览Web,则需要的功率要少得多。因此,平均能源效率正成为焦点。

Koomey通过将每年执行的操作次数除以所消耗的总能量来计算出这种“典型使用效率”,并认为应替换其原始公式中使用的“峰值使用效率”标准。

尽管分析仍待发表,但在2008年至2020年之间,典型使用效率预计将每1.5年左右翻一番,这将使库梅定律恢复到摩尔定律最佳时期的最佳比率。

Koomey定律的一个含义是设备将继续减小尺寸并降低功耗。缩小(但仍是高速)的处理器可能很快就会变得低功率,以至于它们将能够直接从环境中吸收能量,例如背景热,光,运动和其他来源。

这种无处不在的处理设备有可能迎来物联网(IoT)的真实时代,并使您的智能手机看起来像1940年代的真空管道庞然大物一样陈旧。

但是,随着科学家和工程师发现并实施越来越多的新技术来优化“典型使用效率”,计算机总能耗的这一部分可能下降得如此之多,以至于在典型使用水平下,只有峰值输出会降低。足以衡量。

峰值输出使用将再次成为能源效率分析的标准。在这种情况下,库米定律最终会遇到使摩尔定律放慢的物理定律。

这些物理定律,包括热力学第二定律,意味着考美定律将在2048年左右结束。

量子计算将改变一切

好消息是,到那时,量子计算应该得到很好的发展,并且基于单原子的晶体管将变得司空见惯,新一代研究人员将不得不发现另一整套规律来预测计算的未来。