Mes nesame pasiruošę Moore'o įstatymo pabaigai

Moore'o dėsnio iliustracija MS Tech

Gordono Moore'o 1965 m. prognozė, kad integrinio grandyno komponentų skaičius padvigubės kiekvienais metais, kol 1975 m. pasieks stulbinančius 65 000, yra didžiausia pastarojo pusės amžiaus technologinė prognozė. Kai 1975 m. pasirodė teisinga, jis peržiūrėjo tai, kas tapo žinoma kaip Moore'o dėsnis, ir kas dvejus metus lusto tranzistorius padvigubino.

Nuo tada jo prognozės apibrėžė technologijų ir daugeliu atžvilgių pačios pažangos trajektoriją.

Ši istorija buvo mūsų 2020 m. kovo mėnesio numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Moore'o argumentas buvo ekonominis. Integrines grandynas su keliais tranzistoriais ir kitais elektroniniais prietaisais, sujungtais su aliuminio metalinėmis linijomis ant mažos kvadratinės silicio plokštelės, keletą metų anksčiau išrado Robertas Noyce'as iš Fairchild Semiconductor. Moore'as, bendrovės tyrimų ir plėtros direktorius, suprato, kaip rašė 1965 m., kad naudojant šiuos naujus integrinius grandynus, komponento kaina yra beveik atvirkščiai proporcinga komponentų skaičiui. Tai buvo gražus sandoris – teoriškai, kuo daugiau tranzistorių pridėjote, tuo kiekvienas iš jų buvo pigesnis. Moore'as taip pat pastebėjo, kad yra daug erdvės inžinerijos pažangai, kad padidintų tranzistorių, kuriuos galite nebrangiai ir patikimai įdėti į lustą, skaičių.

Netrukus šie pigesni, galingesni lustai taps tuo, ką ekonomistai mėgsta vadinti bendrosios paskirties technologija – tokia esminė, kad sukuria įvairias kitas naujoves ir pažangą keliose pramonės šakose. Prieš kelerius metus pirmaujantys ekonomistai įvertino informacines technologijas, kurias įgalina integriniai grandynai, trečdaliu JAV produktyvumo augimo nuo 1974 m. Beveik visos mums svarbios technologijos – nuo ​​išmaniųjų telefonų iki pigių nešiojamųjų kompiuterių iki GPS – tiesiogiai atspindi Moore’o prognozę. Tai taip pat paskatino šiandienos proveržius dirbtinio intelekto ir genetinės medicinos srityse, suteikdama mašininio mokymosi metodams galimybę kramtyti didžiulį duomenų kiekį, kad būtų galima rasti atsakymus.

Tačiau kaip paprastas spėjimas, pagrįstas tranzistorių skaičiaus pagal metus grafiko ekstrapoliavimu – grafiko, kuris tuo metu turėjo tik kelis duomenų taškus – apibrėžė pusės amžiaus pažangą? Bent jau iš dalies dėl to, kad puslaidininkių pramonė nusprendė taip.

1965 m. balandžio mėn. Elektronikos žurnalas, kuriame pasirodė Moore'o straipsnis. Wikimedia

Moore'as rašė, kad įtraukus daugiau komponentų į integrinius grandynus, 1965 m. jo straipsnio pavadinimas, sukeltų tokius stebuklus kaip namų kompiuteriai arba bent jau terminalai, prijungti prie centrinio kompiuterio, automatiniai automobilių valdikliai ir asmeninė nešiojama ryšių įranga. Kitaip tariant, laikykitės jo plano, kad į lustą įspraustumėte vis daugiau tranzistorių ir tai nuves jus į pažadėtąją žemę. Ir vėlesnius dešimtmečius klesti pramonė, vyriausybė ir akademinių bei pramonės tyrinėtojų armijos skyrė pinigų ir laiko Moore'o dėsnio laikymuisi, sukurdamos savaime išsipildančią pranašystę, kuri neįtikėtinai tiksliai išlaikė pažangą. Nors pastaraisiais metais pažangos tempas sumažėjo, šiandien pažangiausi lustai turi beveik 50 milijardų tranzistorių.

Kasmet nuo 2001 m. MIT Technology Review išrenka 10 svarbiausių metų proveržio technologijų. Tai technologijų, kurios beveik be išimties yra įmanomos tik dėl skaičiavimo pažangos, aprašytos Moore'o įstatyme, sąrašas.

Dėl kai kurių šių metų sąrašo elementų ryšys akivaizdus: plataus vartojimo prietaisai, įskaitant laikrodžius ir telefonus, perpildyti dirbtiniu intelektu; klimato kaitos priskyrimas, kurį galima padaryti dėl patobulinto kompiuterinio modeliavimo ir duomenų, surinktų iš pasaulinių atmosferos stebėjimo sistemų; ir pigūs, pintos dydžio palydovai. Kiti sąraše esantys dalykai, įskaitant kvantinę viršenybę, molekules, atrastas naudojant AI, ir netgi senėjimą stabdančius gydymo būdus ir per daug suasmenintus vaistus, daugiausia priklauso nuo tyrėjų turimos skaičiavimo galios.

Bet kas atsitinka, kai Moore'o įstatymas neišvengiamai baigiasi? O kas, jei, kaip kai kurie įtaria, jis jau mirė, o mes jau veikiame didžiausio šių laikų technologijų variklio dūmais?

RIP

Viskas baigta. Šiais metais tai tapo tikrai aišku, sako Charlesas Leisersonas, MIT kompiuterių mokslininkas ir lygiagrečiojo skaičiavimo, kai vienu metu atliekami keli skaičiavimai, pradininkas. Naujausia „Intel“ gamykla, turinti gaminti lustus, kurių minimalus elementų dydis yra 10 nanometrų, buvo gerokai atidėtas, o lustai pristatyti 2019 m., praėjus penkeriems metams po ankstesnės kartos lustų su 14 nanometrų funkcijomis. Moore'o dėsnis, sako Leiserson, visada buvo susijęs su pažangos tempu, o mes nebegalime to pasiekti. Daugelis kitų žinomų kompiuterių mokslininkų taip pat paskelbė, kad Moore'o įstatymas pastaraisiais metais mirė. 2019 m. pradžioje sutiko didelės lustų gamintojos „Nvidia“ generalinis direktorius.

Tiesą sakant, tai buvo labiau laipsniškas nuosmukis nei staigi mirtis. Bėgant dešimtmečiams, kai kurie, įskaitant patį Moore'ą, kartais nerimavo, kad galą mato akyse, nes tapo sunkiau gaminti vis mažesnius tranzistorius. 1999 m. „Intel“ tyrėjas nerimavo, kad pramonės tikslas iki 2005 m. padaryti tranzistorius, mažesnius nei 100 nanometrų, susidūrė su esminėmis fizinėmis problemomis, kurių sprendimas nėra žinomas, pavyzdžiui, kvantinis elektronų klaidžiojimo ten, kur jie neturėtų būti, poveikis.

Daugelį metų lustų pramonei pavyko išvengti šių fizinių kliūčių. Buvo pristatytos naujos tranzistorių konstrukcijos, kad būtų galima geriau surišti elektronus. Nauji litografijos metodai, naudojantys ekstremalią ultravioletinę spinduliuotę, buvo išrasti, kai matomos šviesos bangos buvo per storos, kad būtų galima tiksliai išskirti vos kelių dešimčių nanometrų silicio ypatybes. Tačiau pažanga tapo vis brangesnė. Stenfordo ir MIT ekonomistai apskaičiavo, kad nuo 1971 m. mokslinių tyrimų pastangos laikytis Moore'o įstatymo išaugo 18 kartų.

Be to, gaminiai, gaminantys pažangiausius lustus, tampa nepaprastai brangūs. Gamyklos kaina pakyla maždaug 13 % per metus ir, tikimasi, iki 2022 m. pasieks 16 milijardų dolerių ar daugiau. Neatsitiktinai įmonių, planuojančių gaminti naujos kartos lustus, skaičius sumažėjo iki trijų, t. nuo aštuonių 2010 m. ir 25 2002 m.

Šiandieninių silicio lustų įpėdinių paieška užtruks ilgus metus. Jei nerimaujate dėl to, kas pakeis Moore'o dėsnį, laikas panikuoti.

Nepaisant to, „Intel“ – viena iš tų trijų lustų gamintojų – artimiausiu metu nesitiki Moore’o įstatymo laidotuvių. Jimas Kelleris, kuris 2018 m. pradėjo eiti „Intel“ silicio inžinerijos vadovo pareigas, yra tas žmogus, kurio užduotis yra išlaikyti ją gyvą. Jis vadovauja maždaug 8000 aparatūros inžinierių ir lustų dizainerių komandai „Intel“. Kai jis prisijungė prie bendrovės, jis sako, kad daugelis tikėjosi Moore'o įstatymo pabaigos. Jei jie buvo teisūs, jis prisimena galvojęs, kad tai buvo vilkinimas ir galbūt jis padarė tikrai blogą karjeros žingsnį.

Tačiau Kelleris rado daug techninių galimybių tobulėti. Jis nurodo, kad tikriausiai yra daugiau nei šimtas kintamųjų, susijusių su Moore'o dėsnio išlaikymu, kurių kiekvienas suteikia skirtingą naudą ir susiduria su savo ribomis. Tai reiškia, kad yra daug būdų, kaip nuolat padvigubinti lusto įrenginių skaičių – naujovės, tokios kaip 3D architektūros ir naujos tranzistorių konstrukcijos.

Šiomis dienomis Kelleris skamba optimistiškai. Jis sako, kad apie Moore'o įstatymo pabaigą girdėjo visą savo karjerą. Po kurio laiko jis nusprendė dėl to nesijaudinti. Jis sako, kad artimiausius 10 metų „Intel“ žengs į priekį, ir jis su džiaugsmu atliks skaičiavimus už jus: 65 milijardai (tranzistorių skaičius) padauginus 32 (jei lusto tankis padvigubėja kas dvejus metus) yra 2 trilijonai tranzistorių. Tai 30 kartų geresnis našumas, sako jis ir priduria, kad jei programinės įrangos kūrėjai bus sumanūs, per 10 metų galėtume gauti šimtą kartų greitesnius lustus.

Vis dėlto, net jei „Intel“ ir kiti likę lustų gamintojai gali išspausti dar kelias dar pažangesnių mikroschemų kartas, laikai, kai kas porą metų buvo galima patikimai pasikliauti greitesniais ir pigesniais lustais, akivaizdžiai baigėsi. Tačiau tai nereiškia, kad skaičiavimo pažanga baigiasi.

Laikas panikuoti

Neilas Thompsonas yra ekonomistas, tačiau jo biuras yra CSAIL, MIT plačiai paplitusiame AI ir kompiuterių centre, apsuptame robotų ir kompiuterių mokslininkų, įskaitant jo bendradarbį Leisersoną. Naujame dokumente dviejuose dokumentuose yra pakankamai erdvės pagerinti skaičiavimo našumą naudojant geresnę programinę įrangą, algoritmus ir specializuotą lustų architektūrą.

Viena galimybė yra sumažinti vadinamąjį programinės įrangos išsipūtimą, kad būtų galima išnaudoti visas esamas lustas. Kai visada buvo galima tikėtis, kad lustai bus greitesni ir galingesni, programuotojams nereikėjo daug rūpintis dėl efektyvesnio kodo rašymo. Ir jie dažnai nesugebėjo visiškai išnaudoti aparatinės įrangos architektūros pokyčių, pvz., kelių branduolių arba procesorių, matomų šiandien naudojamuose lustuose.

Thompsonas ir jo kolegos parodė, kad jie gali gauti daug daug skaičiavimų, kad veiktų maždaug 47 kartus greičiau, tiesiog pereidami nuo Python, populiarios bendrosios programavimo kalbos, į efektyvesnę C. Taip yra todėl, kad C, nors tam reikia daugiau darbo iš programuotojas, labai sumažina reikiamą operacijų skaičių, todėl programa veikia daug greičiau. Tolesnis kodo pritaikymas, kad būtų galima išnaudoti visas lusto su 18 apdorojimo branduoliais pranašumus, viskas dar labiau paspartėjo. Vos per 0,41 sekundės mokslininkai gavo rezultatą, kuris su Python kodu užtruko septynias valandas.

Tai skamba kaip gera žinia apie nuolatinę pažangą, tačiau Thompsonas nerimauja, kad tai taip pat rodo kompiuterių, kaip bendrosios paskirties technologijos, nuosmukį. Užuot pakėlus visas valtis, nes Moore'o įstatymas siūlo vis greitesnius ir pigesnius lustus, kurie buvo visuotinai prieinami, programinės įrangos ir specializuotos architektūros pažanga dabar pradės pasirinktinai nukreipti į konkrečias problemas ir verslo galimybes, pirmenybę teikiant tiems, kurie turi pakankamai pinigų ir išteklių.

Iš tiesų, perėjimas prie lustų, skirtų konkrečioms programoms, ypač AI, jau vyksta. Gilus mokymasis ir kitos AI programos vis labiau priklauso nuo žaidimų pritaikytų grafikos apdorojimo blokų (GPU), kurie gali atlikti lygiagrečias operacijas, o tokios įmonės kaip „Google“, „Microsoft“ ir „Baidu“ kuria AI lustus pagal savo konkrečius poreikius. AI, ypač gilus mokymasis, turi didžiulį apetitą kompiuterio galiai, o specializuoti lustai gali labai pagreitinti jo veikimą, sako Thompsonas.

Tačiau kompromisas yra tas, kad specializuoti lustai yra mažiau universalūs nei tradiciniai procesoriai. Thompsonas yra susirūpinęs, kad lustai, skirti bendresniam skaičiavimui, tampa ataka, sulėtinančiu bendrą kompiuterių tobulinimo tempą, kaip jis rašo būsimame straipsnyje „Kompiuterių mažėjimas kaip bendrosios paskirties technologija“.

Pasak Carnegie Mellon inžinerijos ir viešosios politikos profesorės Erica Fuchs, AI ir kitas programas kuriantys asmenys tam tikru momentu nepastebės Moore'o įstatymo sumažėjusių sąnaudų ir našumo padidėjimo. Galbūt po 10 ar 30 metų – niekas tikrai nežino, kada – jums prireiks įrenginio su tokia papildoma skaičiavimo galia, sako ji.

Fuchso teigimu, problema yra ta, kad šiandieninių bendrosios paskirties lustų įpėdiniai nežinomi ir jiems sukurti prireiks ne vienerių metų pagrindinių tyrimų ir plėtros. Ji teigia, kad jei nerimaujate dėl to, kas pakeis Moore'o dėsnį, dabar laikas panikuoti. Ji sako, kad dirbtinio intelekto srityje yra tikrai protingų žmonių, kurie nežino apie techninės įrangos suvaržymus, su kuriais susiduria ilgalaikė skaičiavimo pažanga. Be to, pasak jos, kadangi konkrečioms taikomoms programoms skirti lustai yra labai pelningi, yra mažai paskatų investuoti į naujus loginius įrenginius ir skaičiavimo būdus.

Ieškomas: Maršalo planas traškučiams

2018 m. Fuchs ir jos CMU kolegos Hassanas Khanas ir Davidas Hounshellas parašė dokumentą, kuriame atskleidė Moore'o dėsnio istoriją ir nustatė pokyčius, susijusius su šiandienos pramonės ir vyriausybės bendradarbiavimo stoka, paskatinusia tiek daug pažangos ankstesniais dešimtmečiais. Jie teigė, kad technologijų trajektorijų skilimas ir daugelio šių naujų skilčių trumpalaikis privatus pelningumas reiškia, kad turime labai padidinti viešąsias investicijas ieškant kitų puikių kompiuterinių technologijų.

Jei ekonomistai teisūs ir didžioji dalis augimo 1990-aisiais ir 2000-ųjų pradžioje buvo mikroschemų rezultatas, ir jei, kaip kai kurie teigia, lėtas produktyvumo augimas, prasidėjęs 2000-ųjų viduryje, atspindi skaičiavimo pažangos sulėtėjimą, sako, Thompsonas, iš to išplaukia, kad turėtumėte investuoti milžiniškas pinigų sumas, kad rastumėte įpėdinę technologiją. Mes to nedarome. Ir tai yra viešosios politikos nesėkmė.

Nėra garantijos, kad tokios investicijos atsipirks. Kvantinis skaičiavimas, anglies nanovamzdelių tranzistoriai, net spintronika yra viliojančios galimybės, tačiau nė viena nėra akivaizdus pažado, kurį Gordonas Moore'as pirmą kartą pamatė paprastoje integrinėje grandinėje, pakaitalas. Tačiau dabar mums reikia investicijų į mokslinius tyrimus, kad tai išsiaiškintume. Kadangi viena prognozė beveik neabejotinai išsipildys: mes visada norime daugiau skaičiavimo galios.

paslėpti