Почему скорость процессора прекратила экспоненциально увеличиваться примерно в 2004 году, с тех пор только незначительное увеличение скорости?

74
6
1
Лучший ответ
346

Закон Мура еще не закончился, хотя люди продолжают утверждать, что он скоро закончится.

Настоящая проблема - окончание Деннарда Скалинга и попадание в стену власти. Масштабирование Деннарда говорит, что плотность мощности транзисторов остается постоянной, поскольку транзисторы становятся меньше, так что потребление энергии остается постоянным по отношению к площади (при уменьшении напряжения и тока). Масштабирование Деннарда основывалось на ряде предположений, которые перестали быть верными после того, как мы достигли определенного размера транзистора.

В частности, это связано с током утечки. Мы больше не можем масштабировать транзисторы так, чтобы они были меньше при сохранении той же плотности мощности. Ранее мы могли бы сделать чип такого же размера с большим количеством транзисторов (и увеличить тактовую частоту) и при этом уметь рассеивать тепло, выделяемое транзисторами. Примерно в 2004/2005 году мы достигли максимальной мощности, которую мы можем рассеивать через чип. В этот момент, если бы мы увеличили частоту, все стало бы настолько жарко, что потребовались бы экспоненциально лучшие системы для охлаждения чипа и рассеивания тепла (до определенной точки, после которой мы не можем охладить чип достаточно быстро). Это само по себе требует больше энергии. Эффективность энергопотребления будет резко падать, пока мы не достигнем точки, когда она перестает быть устойчивой.

Это очень характерный график, который вы увидите во многих презентациях. Зеленая линия представляет закон Мура. Тем не менее, вы можете видеть, что линия питания (светло-синяя) сужается.

* (Источник: Фундаментальный поворот к параллелизму в программном обеспечении)

Когда мы достигли этой точки, мы могли бы получить больше транзисторов на чипе, но мы больше не могли увеличивать частоту. Поэтому мы начали прибегать к таким технологиям, как многоядерные процессоры, чтобы повысить производительность процессоров.

ответил(а) 2019-11-28T14:15:59+03:00 4 месяца, 1 неделя назад
143

Это отличный вопрос! Ответ (ы) можно разделить на 2 основных аспекта. Я постараюсь разобраться с ними обоими.

Первое и, пожалуй, самое важное, что нужно понять, это то, что более высокая тактовая частота процессора не обязательно означает более быстрые или более мощные компьютеры.

Но как вы получаете все более и более мощные устройства с каждым годом, спросите вы? Это один из ответов на первоначальный вопрос - индустрия предложила множество разных решений для создания более совершенных компьютеров без (или почти без) увеличения тактовой частоты. Наиболее распространенными являются многоядерные процессоры, более быстрые и доступные периферийные устройства (память, контроллеры и т. Д.) И гораздо лучшая конструкция процессора. Теперь давайте поговорим подробнее о 2 основных аспектах тактовой частоты.

Часть 1 - дизайн продукта и спрос.

Как мы уже упоминали, мы можем достичь лучших процессоров без увеличения тактовой частоты. Но почему бы просто не увеличить тактовую частоту вместо того, чтобы углубляться в сложные технические разработки и изобретения? Есть несколько причин, но я остановлюсь на самой важной - увеличение тактовой частоты процессора приведет к увеличению энергопотребления процессора. Проще говоря, потребляемая мощность процессора - это как долго мы можем использовать Quora / Facebook / Twitter или YouTube на наших мобильных устройствах.

В связи с резким увеличением спроса на мобильные устройства - смартфоны, планшеты и ноутбуки - энергопотребление (или TDP в нашем случае) стало приоритетом номер один при проектировании процессоров. Таким образом, повышение тактовой частоты не может быть рассмотрено для этой доли рынка.

Задайте себе следующий вопрос - сколько вычислительной мощности вам действительно нужно для вашего планшета или смартфона? Но как долго вы хотите, чтобы аккумулятор работал без подзарядки вашего мобильного устройства?

Часть 2 - технологические проблемы.

За пределами рынка мобильной связи все еще существует множество приложений HPC - центров обработки данных, настольных компьютеров и серверов. Как насчет увеличения вычислительной мощности, когда у нас нет соображений TDP?

Здесь индустрия сталкивается с очень жесткими технологическими проблемами - нелегко увеличить тактовую частоту с агрессивным масштабированием, чтобы удовлетворить требования закона Мура и своевременно получить конкурентоспособный продукт на рынке.

Теоретически мы знали, как сделать сверхбыстрые транзисторы на основе Si десять лет назад. Базовый массив устройств может работать на скоростях выше 200 ГГц, но когда вы превращаете все эти массивы в полноценный продукт, скорость резко падает.

Проблема возникает из 3 основных секторов - задержка BEOL RC, тепловая обработка и надежность продукта.

BEOL стали основным узким местом в производительности ЦП - после того, как мы миновали 22 нм узел. В основном мы имеем современные транзисторы, которые не получают достаточно «сока», потому что межсоединения должны замедляться (комбинация удельного сопротивления и паразитной емкости).

И хотя создание и создание более совершенных и лучших транзисторов (FEOL) - утомительный, дорогостоящий и требующий много времени процесс, задачи по повышению производительности в BEOL в 10 раз сложнее.

Тепловой анализ - это еще один «штраф», который платит индустрия из-за безумной погони за законом Мура. Плотная упаковка миллиардов транзисторов и крошечных проводов, соединяющих их, ограничивает рабочую температуру конечного продукта.

Не в последнюю очередь это надежность. Чтобы наши продукты работали должным образом и в течение длительного времени, в процессе проектирования и производства должны быть приняты надлежащие меры, которые в большинстве случаев «конкурируют» с характеристиками продукта.

Подводя итог, можно сказать, что часть 2 - с более агрессивным масштабированием (по закону Мура) BEOL стал самой изменчивой частью в разработке и производстве процессоров. Внедрены новые материалы и процессы, а также новые конструктивные особенности, но производительность ограничена не транзисторами, а проводами, подающими питание и данные на транзисторы.

Обратите внимание, что я сделал несколько обобщений, чтобы сделать мой ответ менее техническим.

Узнайте больше о связанных проблемах здесь:

Ответ Дэниела Фишмана на «Когда мы увидим новые полупроводниковые технологии?

Ответ Дэниела Фишмана на Закон Мура близок к концу, что будет с полупроводниковой промышленностью и мировой экономикой?

Ответ Даниэля Фишмана на 10 ГГц процессоры будут возможны к 2020 году?

Ответ Даниэля Фишмана на вопрос: почему новые процессоры всегда быстрее при одинаковой или меньшей тактовой частоте и одинаковом количестве ядер, чем старые процессоры?

Можем ли мы достичь процессора 1 ТГц, и если да, то есть ли ограничение по тактовой частоте?

ответил(а) 2019-11-28T14:15:59+03:00 4 месяца, 1 неделя назад
58

Другая проблема - стена памяти, возникающая из-за того, что скорость процессора росла намного быстрее, чем скорость DRAM. Оригинальный документ с изложением проблемы: https: //www.researchgate.net/pro ....

Вы можете замаскировать это до некоторой степени с помощью больших кешей и многопоточности, но выгоды от этих подходов ограничены. Я исследовал трактовку доступа к DRAM как ошибку страницы с некоторым успехом в проекте RAMpage (https: //www.researchgate.net/pro ...), хотя он никогда не использовался в реальных системах, потому что для этого требовалась ОС как а также аппаратные изменения, шаг слишком далеко для академического проекта.

Подходы к решению Стены памяти содержат краткое изложение проблемы 2002 года.

Это плюс другие поднятые проблемы привели к многоядерным проектам, а не к все более агрессивным однопроцессорным чипам. Эта знаковая статья 1996 года http: //arsenalfc.stanford.edu/ku ... проложила путь для многоядерных проектов.

ответил(а) 2019-11-28T14:15:59+03:00 4 месяца, 1 неделя назад
47

Здесь некоторые обсуждают эту проблему:
Означает ли это, что сверхплотные чипы, объявленные IBM, позволят нам снова получить более высокие тактовые частоты, а не просто больше ядер?

ответил(а) 2019-11-28T14:15:59+03:00 4 месяца, 1 неделя назад
45

Закон Мура почти приближается к своему пределу, но мы, как обычная аудитория, не увидим / не почувствуем его в ближайшие пять лет.

На абстрактном уровне технология, используемая для создания электронного чипа, также вносит свой вклад как фактор в график времени, представленный в известном характеристическом графике (показан в ответе Аджаем Каннаном).

Чтобы кратко объяснить, давайте рассмотрим тройную CCC (стоимость, сложность и потребитель) в сочетании с технологией литографии, используемой для печати чипов на кремниевой пластине.

Стоимость - в первые дни стоимость проектирования и изготовления литографических машин была не такой высокой и не ограничивалась экономическими аспектами. В настоящее время затраты на создание таких машин очень высоки, и сверх того огромного количества денег тратится только на исследования и проектирование. Совокупная стоимость резко возрастает до такой степени, что это экономически очень сложно для полупроводниковых компаний.

Сложность - лучшая литографическая машина очень сложна с точки зрения размера, технологии, дизайна, производства и реализации. Опять же, для проектирования системы требуются инвестиции в сотни миллионов долларов. Это также переносит простои из-за нескольких законов физики.

Потребитель - из-за высокой стоимости и сверхсложности в мире есть всего 1 или 2 компании, которые могут себе позволить такие машины. Благодаря совместным усилиям этих компаний и производителей литографических машин мы можем наблюдать сокращение количества микросхем.

Суть в том, что уменьшение размера чипа после точки не будет выгодно ни с экономической, ни с научной точки зрения. Следовательно, мы видим кривую сплющивания в будущем.

Лучший способ - перейти на многоядерные или гетерогенные платформы. (Вот и у нас проблема с темным кремнием).

ответил(а) 2019-11-28T14:15:59+03:00 4 месяца, 1 неделя назад
33

Рано или поздно все его убывающее возвращается, все остальное постоянно.

До тех пор, пока новые открытия не повысят эффективность, это лишь вопрос времени, когда убывающая отдача сгладится до 0.

ответил(а) 2019-11-28T14:15:59+03:00 4 месяца, 1 неделя назад
Ваш ответ
Введите минимум 50 символов
Чтобы , пожалуйста,
Выберите тему жалобы:

Другая проблема