قانون Breaking Moore: كيف يدفع صانعو الشيingات الحواسيب الشخصية لحقن مستويات جديدة

لا يوجد طريقان حوله: الكمبيوتر يتباطأ مع التقدم في السن.

قد يكون ذلك قاسيًا بعض الشيء -الكمبيوترات العادية هي أسرع وأصغر من أي وقت مضى ، ولكن أداء المعالج ببساطة لا يتقدم بخطى متسارعة في الماضي. في وقت واحد ، كانت قفزات 50 إلى 60 في المئة في الأداء من العام إلى العام شائعة. الآن ، التحسينات من 10 إلى 15 في المائة هي القاعدة.

لحسن الحظ ، لا يزال بإمكان أجهزة الكمبيوتر البالغ عمرها أكثر من خمس سنوات التعامل مع المهام اليومية على ما يرام ، وبالتالي فإن بطء الأداء ليس مشكلة كبيرة. بالإضافة إلى ذلك ، من الجيد عدم استبدال جهاز الكمبيوتر الخاص بك كل عام آخر خلال الاقتصاد المنخفض. لكن التكنولوجيا لا تتقدم بالتمسك بالوضع الراهن. يحتاج المستقبلي إلى سرعة !

"لا أعتقد أن هناك أي إدخالات أو إقرارات حول هذا. البنية غير المتجانسة هي طريقة المستقبل."

لحسن الحظ ، أكبر الأسماء في معالجات الكمبيوتر غير راضية عن الوضع الراهن. يعمل صانعو الشي Chات بغضب لحل المشاكل التي يطرحها قانون مور المتباطئ وارتفاع جدار الطاقة ، في محاولة للحفاظ على أداء الدواسة على المعدن.

فما هي أنواع الحيل الجذرية التي يفعلونها حتى في سواعدهم. ؟ عدة أنواع مختلفة ، في الواقع ، وكل منها يحمل إمكانات كبيرة للمستقبل. دعونا نلقي نظرة خلف الستار.

Intel: بناء على أكتاف العمالقة

تعداد الترانزستور Wikipedia / Wikimedia CommonsChip على مر السنين. (انقر للتوسع.)

هل يمكننا أن نجمع مكاسب الأداء التافهة اليوم إلى انهيار قانون مور؟ ليس تماما. قد يتم اقتباس خط مور الأسطوري بشكل متكرر للحديث عن أداء وحدة المعالجة المركزية ، لكن حرف القانون يدور حول عدد الترانزستورات على دائرة تتضاعف كل عامين.

بينما كافح صانعو الرقائق الآخرون لتقليص الترانزستورات وضغط المزيد منهم. على رقاقة ، شركة إنتل ، الشركة نفسها مورست نفسها ، قد حافظت على وتيرة قانون مور منذ الكلام ، وهو إنجاز يمكن وضعه في أقدام جيش إنتل الصغير من المهندسين. ليس فقط أي مهندسين ، رغم ذلك. مهنيون مهندسون.

كلما أصبحت الترانزستورات أكثر إحكامًا ، أصبحت مخاوف الحرارة وكفاءة الطاقة مشكلات رئيسية. والآن بعد أن وصلت الترانزستورات إلى أحجام صغيرة للغاية تقريبًا - كل ترانزستورات زائد مليار في رقائق Ivy Bridge من إنتل قياس 22 نانومتر (nm) ، أو ما يقرب من 0.000000866 إنش قهر تلك التفكير يأخذ التفكير الإبداعي.

"ليس هناك شك في الحصول على من الصعب "، وقال مدير التصنيع التقني إنتل تشاك مولوي في مقابلة عبر الهاتف. "حقا ، حقا من الصعب. أعني ، نحن على المستوى الذري."

للحفاظ على التقدم رولين ، حققت شركة إنتل بعض التغييرات الهامة في التصميم الأساسي للترانزستورات على مدى الماضي عقد. في عام 2002 ، أعلنت الشركة أنها كانت تتحول إلى ما يسمى بـ "السيليكون المتوتر" ، مما أدى إلى زيادة أداء الرقاقة بنسبة 10 إلى 20 بالمائة عن طريق تشويه بنية بلورات السيليكون قليلا.

Mo 'power means mo’problems ، وإن كان. على وجه التحديد ، مع استمرار تقلص الترانزستورات ، فإنها تعاني من "تسرب" الإلكترون المتزايد ، مما يجعلها أقل كفاءة بكثير. هناك قرصان حديثان لمكافحة هذا التسرب بطرق جديدة.

دون أن تنفجر ، بدأت الشركة بمقايضة عوازل ثاني أكسيد السيليكون المعيارية في الترانزستورات لصالح عوازل "بوابة معدنية عالية" أكثر كفاءة أثناء تحولها إلى عملية التصنيع 45 نانومتر. يبدو الأمر بسيطًا ، لكنه في الواقع صفقة كبيرة. تبع ذلك تغييراً أكثر ضخامة ، مع إدخال تكنولوجيا الترانزستور "ثلاثي البوابة" أو "ثلاثي الأبعاد" في رقائق Ivy Bridge الحالية من Intel.

صورة IntelAn تقارن تدفق الإلكترونات عبر المستوي (يسار) وثلاثية بوابة (يمين) الترانزستورات. تتدفق الإلكترونات في الترانزستورات ذات البوابة الثلاثية على المستوى العمودي ، مقارنة بالتدفق المسطح للترانزستورات المستوية التقليدية.

تحتوي الترانزستورات "المستوية" التقليدية على زوج من "البوابات" على جانبي القنوات التي تحمل الإلكترونات. حطمت الترانزستورات ذات البوابة الثلاثية ذلك التفكير ثنائي الأبعاد مع إضافة بوابة ثالثة

فوق القناة ، تربط بين البوابات الجانبية. يعمل التصميم على تحسين الكفاءة من خلال تقليل التسرب مع تقليل احتياجات الطاقة. مرة أخرى ، يبدو الأمر بسيطًا ، لكن تصنيع ترانزستورات ثلاثية الأبعاد يتطلب دقة تقنيه هائلة. في الوقت الحالي ، إنتل هي معالجات الشحن المصنعة للرقائق الوحيدة ذات الترانزستور ثلاثي الأبعاد. فما هي الخطوة التالية لشركة إنتل؟ الشركة لا تقول. في الواقع ، يقول مولوي إن أي تقنية قد تكون

تستخدمها الشركة ، مثل عملية تصنيع الطباعة الحجرية فوق البنفسجية المتطرفة ، تذهب إلى سنوات "ثقب أسود" PR قبل أن تعرضها Intel في رقائقها. لكنه شدد على أن التحسينات السابقة التي تمت مناقشتها أعلاه لا تتوقف فقط عندما يتم تقديمها للجمهور. "يميل الناس إلى الاعتقاد": لقد استخدمت إنتل هذا الأمر ، والآن أصبحوا في المرحلة التالية ، "" مولوي قال. "لم يختفي السيليكون المجهد عندما أضفنا إمكانات البوابة المعدنية عالية الارتفاع. لم تغادر البوابة المعدنية عالية الكلفة عندما ذهبنا إلى ترانزستورات ثلاثية البوابة ، فنحن ما زلنا نبني ونعمل على تحسين ذلك." إعادة في الجيل الرابع من السيليكون المتوتر ، والجيل الثالث من البوابة المعدنية عالية ك ، وشرائح 14nm القادمة ستكون الجيل الثاني من البوابة الثلاثية. "

أفضل تكنولوجيا الرقاقات هناك فقط يستمر في التحسن ، في كلمات أخرى.

أوه ، ولما يستحق ، تعتقد إنتل أن قانون مور سيستمر دون هوادة لـ

على الأقل أكثر من أجيال أكثر تقلصًا ترانزيستورًا. AMD: الحوسبة المتوازية على طول الطريق

لكن إنتل ليست الشركة الوحيدة التي تصنع الرقائق في المدينة. بدلا من الرهان على تحسينات تكنولوجيا الترانزستور فقط ، تعتقد AMD المنافسة أن مستقبل الأداء يتوقف على قطع وحدات المعالجة المركزية (CPU) بعض الركود عن طريق تحويل بعض من عبء العمل إلى معالجات أخرى قد تكون مناسبة بشكل أفضل لمهام معينة. معالجات الرسومات ، على سبيل المثال ،

دخان من خلال المهام التي تتطلب العديد من العمليات الحسابية المتزامنة ، مثل تكسير كلمات المرور ، وتعدين البيتكوين ، والعديد من الاستخدامات العلمية. سمعت من الحواسيب المتوازية؟ هذا ما نتحدث عنه.

AMD تصميم AMD APU مبني على معايير HSA.

"الدخول في عقد أصغر على جانب الترانزستور يؤدي إلى زيادة أداء [CPU] بمقدار 6 إلى 8 إلى

ربما يقول ساسا مارينكوفيتش ، أحد كبار مصنعي التسويق التكنولوجي في AMD: "10 في المائة ، من عام إلى آخر". "لكن إضافة وحدة معالجة الرسومات (GPU) باستخدام قدرات GPU الحوسبية تعطي مكاسب أكبر. على سبيل المثال ، بالنسبة إلى Internet Explorer 8 إلى IE9 ، كانت زيادة الأداء 400 بالمائة - أربع مرات أداء الجيل السابق ، وكل ذلك بفضل [IE9] تسارع GPU. " " نحن نرى أن هذا النوع من الأداء قفزة في الأداء داخل غلاف الطاقة اليوم ، أو يمكنك خفض المغلف بقوة كبيرة ونرى نفس الأداء [لديك اليوم] ، "يقول Marinkovic.

لقد كانت AMD تتجه نحو بنية غير متجانسة للنظام ، حيث إن طريقة توزيع حمل العمل بين العديد من المعالجات على شريحة واحدة تسمى بوحدات المعالجة المتسارعة الشهيرة ، أو وحدات APU ، بما في ذلك وحدة تشغيل وحدة التحكم في PlayStation 4 القادمة. تحتوي وحدات APU على نواة CPU أساسية ورسومات أساسية Radeon كبيرة على نفس القالب ، كما هو موضح في الرسم التخطيطي أعلاه. وستشترك وحدة المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسوميات في وحدات كافيري APUs من الجيل المقبل من AMD في نفس مجموعة الذاكرة ، مما يؤدي إلى طمس الخطوط بشكل أكبر وتقديم أداء أسرع.

AMD ليست الشركة الوحيدة التي تدعم فكرة الحوسبة المتوازية. كانت الشركة أحد الأعضاء المؤسسين لمؤسسة HSA ، وهي كونسورتيوم من كبار صناع الرقائق ، وإن كان ذلك

sans Intel و Nvidia - اللذان يعملان معاً لإنشاء معايير من المفترض أن تجعل البرمجة للحوسبة المتوازية أسهل في المستقبل. إنه لأمر جيد أن توفر الشركات الرائدة في الصناعة العمود الفقري لرؤية مؤسسة HSA ، لأنه من أجل أن يتحقق المستقبل غير المتجانس للحوسبة المتوازية ، يجب أن تكون البرامج والتطبيقات مكتوبة على وجه التحديد للاستفادة من تصميمات الأجهزة.

مؤسسة HSA

"البرمجيات هي المفتاح ،" تعترف مارينكوفيتش. "عندما تنظر إلى APUs بـ [full HSA compatibility] وبدون HSA الكامل ، سيتعين على البرنامج تغييره. ولكن سيكون التغيير للأفضل … حيث نريد الوصول إلى التعليمات البرمجية مرة واحدة واستخدامها في كل مكان. لديك بنية HSA عبر جميع شركات HSA Foundation المختلفة ، على أمل أن تتمكن من كتابة برنامج للكمبيوتر الشخصي وتشغيله على هاتفك الذكي أو جهازك اللوحي مع بعض التعديلات أو التجميعات الصغيرة. "

يمكنك العثور على التطبيق بالفعل واجهات المعالجة (APIs) التي تمكن حوسبة GPU المتوازية ، مثل منصة CUDA التي ترتكز على GeForce-centric من Nvidia ، واجهة DirectCompute API في DirectX 11 على نظام Windows ، و OpenCL ، وهو حل مفتوح المصدر تديره مجموعة Khronos.

الدعم لـ تسارع الأجهزة بين مطوري البرامج ، بالرغم من أن معظم البرامج تتعامل مع رسومات مكثفة بطريقة ما. Internet Explorer و Flash على عربة ، على سبيل المثال. في الأسبوع الماضي فقط ، أعلنت شركة Adobe أنها تضيف دعم OpenCL لإصدار Windows من Premiere Pro. ووفقًا للممثلين ، سيتمكن المستخدمون الذين يستخدمون بطاقة رسومات AMD أو APUs المنفصلة من AMD من الاستفادة من تسارع GPU هذا لتحرير مقاطع الفيديو عالية الدقة و 4 K في الوقت الفعلي ، أو تصدير مقاطع الفيديو بسرعة تصل إلى 4.3 مرة أسرع من البرامج غير المتسرعة الأساسية.

"I لا أعتقد أن هناك أي شيء أو ذاك حول هذا ، "يقول مارينكوفيتش. "البنى غير المتجانسة

هي طريقة المستقبل." أوبل: طويل جدا ، السيليكون ، مرحبا ، زرنيخيد الجاليوم!

ولكن هل هذا المستقبل يعتمد على تقنية السيليكون ، كما هو الحال اليوم في الحوسبة؟

بالتأكيد ، على المدى القصير. بالتأكيد لا ، على المدى الطويل. في وقت ما في المستقبل - الخبراء لا يعرفون بالضبط متى سيصل السيليكون إلى حدوده ، وببساطة لن تكون قادرة على دفع أي أبعد من ذلك. وسيتعين على صانعي الرقاقات التحول إلى مادة أخرى.

MIT وجهة نظر ترانزستور ألكسيد الغاليوم الإنديوم يختلقه باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

هذا اليوم بعيد المنال ، لكن الباحثين يستكشفون بالفعل بدائل. تستقبل معالجات الجرافين الكثير من الضجيج كخليفة محتمل للسيليكون ، لكن أوبل تكنولوجيز تعتقد أن المستقبل يكمن في زرنيخيد ال gallاليوم.

لقد قام أوبل بصقل تقنية زرنيخيد ال gallاليوم في قلب نظامه التكنولوجي POET (Planar Opto Electronic Technology) لأكثر من 20 عامًا ، وعملت الشركة مع BAE ووزارة الدفاع الأمريكية (من بين آخرين) لإثبات صحة ذلك. في حين انتهت غزوات المعالج السابقة في زرنيخيد الغاليوم بخيبة أمل خفيفة ، يقول ممثلو أوبل إن تكنولوجيا الملكية الخاصة بهم جاهزة للوقت الكبير.

OPEL لم يخرج إلا مؤخراً من مرحلة البحث والتطوير ، ولم يحاول أن يجعل ترانزستورات itty-bitty في Ivy Bridge حجم 20 نانومتر ، لكن الشركة تدّعي أن معالجات زرنيخيد الغاليوم في 800 نانومتر أسرع من معالجات اليوم

و تستخدم نصف كمية الجهد تقريبًا. "إذا كنت تريد مطابقة سرعة معالجات السيليكون اليوم ، في يقول الدكتور جيفري تايلور ، كبير علماء مؤسسة «أوبل»: «على مدار الساعة تقريباً ، لن تضطر إلى الانتقال إلى 20 أو 30 نانومتر». "هيك ، ربما يمكن أن تصل إلى ذلك في 200nm." وهذا يستخدم تقنية مستوية ،

لا ترانزستورات ثلاثية الأبعاد. واحدة من أكبر المشكلات التي تواجه أي بديل بديل للسيليكون هو أن السيليكون هو أحدث تكنولوجيا في العالم ، مع مليارات استثمرت في تصنيع معالجات السيليكون إلى أقصى قدر من الكفاءة. سيكون من الصعب إقناع Intel و AMD و ARM و HSA Foundation بإسقاط كل ذلك لمادة جديدة. يقول أوبل إن تقنيته تتداخل بشكل كبير مع طرق التصنيع الحالية للسيليكون.

"إنه قابل للتطوير ، وهو موصّل إلى CMOS" ، كما يقول المدير التنفيذي بيتر كوبتي. "هذا مهم للغاية. في مناقشتنا مع شركات المسابك وشبه الموصلات المختلفة ، فإن أول شيء يسألونه هو" هل يجب علي إعادة تجهيز مرافقي؟ " الاستثمار هنا ضئيل لأن نظامنا مكمل لما هو موجود الآن ". يقول أوبل أيضا أن رقائقه قابلة لإعادة الاستخدام.

وكالة الفضاء الأوروبية وكالة الفضاء الأوروبية غرفة نظيفة لتصنيع رقاقة.

حددت خارطة طريق التكنولوجيا الدولية لأشباه الموصلات زرنيخيد الغاليوم كحل محتمل للسيليكون في وقت ما بين عامي 2018 و 2026. لا يزال هناك الكثير من الاختبارات والانتقال الذي يجب القيام به قبل زرنيخيد ال gallاليوم الذي يلتقط

أي من سوق أجهزة معالجة التيار ولكن إذا كان حتى جزء ضئيل من ادعاءات OPEL صحيحًا ، فإن تقنيته يمكن أن تعمل بقوة على تزويد معالجات المستقبل. حسناً ، على الأقل حتى نتفكك الترانزستورات الجزيئية أو الحوسبة الكمية. ولكن هذا هو كل شيء "nother المادة …

تسير نحو غد ذوبان الوجه

لذلك ، بعد كل ذلك - يا للعجب! ، لديك فكرة أفضل عن حيث يرأس مستقبل أداء الكمبيوتر الشخصي. تعالج مبادرات Intel و AMD و OPEL مشكلات كبيرة بطرق مختلفة ، لكن هذا أمر جيد. أنت لا تريد كل بيضك المحتمل في سلة واحدة ، بعد كل شيء. أفضل من ذلك كله ، إذا أثبتت كل تلك الأجزاء المتباينة من لغز أداء جهاز الكمبيوتر نجاحها ، فإنها

يمكن أن تندمج من الناحية النظرية في أسلوب يشبه Voltron لإنشاء معالج Uber-gallium ثلاثي البوابيات مدعوم بمعالج GPU والذي يمكن أن يفجر السراويل حتى أقوى معالجات Core i7 اليوم.

قد يكون منحنى الأداء اليوم مستقراً ، ولكن المستقبل لم يسبق له أن نظر إلى ذلك بوحشية.