92

Komputery nie będą szybsze. Czy mamy czym zastąpić krzem?

Z każdą kolejną generacją komputery stają się coraz szybsze. Jest to w największej mierze zasługa stosowania coraz mniejszych tranzystorów. Wykonane są one z krzemu i maja pewne ograniczenie – nie można ich zmniejszać w nieskończoność. Granicę udaje się ciągle z dużym wysiłkiem przesuwać, ale w końcu przyjdzie taki dzień, że komputery nie będą mogły już […]

Z każdą kolejną generacją komputery stają się coraz szybsze. Jest to w największej mierze zasługa stosowania coraz mniejszych tranzystorów. Wykonane są one z krzemu i maja pewne ograniczenie – nie można ich zmniejszać w nieskończoność. Granicę udaje się ciągle z dużym wysiłkiem przesuwać, ale w końcu przyjdzie taki dzień, że komputery nie będą mogły już być szybsze. Czy mamy dla nich jakąś alternatywę?

Zapewne wielu z Was słyszało o Prawie Moore’a. Jeśli się bliżej mu przyjrzeć, to nie jest to wcale prawo, a raczej założenie oparte na obserwacjach poczynionych przez Gordona Moore’a, jednego z założycieli Intela. Zgodnie z jego treścią ilość tranzystorów jaką możemy wsadzić na płytkę tej samej wielkości podwaja się co 18 miesięcy.

Nie należy jednak tego brać jako pewnika, wg którego postępują Intel czy AMD, a bardziej jako ogólny wyznacznik. Wyznacznik, który do tej pory sprawdzał się zadziwiająco dobrze. Oczywiście w latach 60. czy 70. szybkość procesorów zwiększała się dwukrotnie mniej więcej co 3 lata, a były też takie okresy, kiedy najczęściej w definicję Prawa wplatano 24 miesiące. Teraz jednak wg Boba Colwella, inżyniera Intela, który szefował pracom nad Pentiumami (od Pro, przez II, III i 4) Prawo Moore’a po prostu się załamie.

Zgodnie z zapowiedziami, wybrałbym 2020 rok, jako najszybszą datę kiedy będziemy mogli mówić, że Prawo Moore’a jest martwe. Może to się jeszcze przeciągnąć o jakieś dwa lata, ale bez względu na to czy nastąpi to przy 7 czy 5 nm, będzie to wielka sprawa.

Trzeba przyznać, że stwierdzeniem tym Colwell nie odkrył Ameryki. Od dawna mówi się bowiem o tym, że proces technologiczny dotrze w końcu do granicy, której nie będzie w stanie przeskoczyć. Średnica atomu krzemu wynosi ok. ¼ nm (0,234 nm), natomiast obecnie wprowadzane przez Intela do sprzedaży Haswelle wykonane są w 22 nm.

Istnieje więc jeszcze trochę zapasu.

Do tej pory inżynierie ograniczali się do takich sztuczek konstrukcyjnych jak np. zastosowanie tranzystorów trójwymiarowych, jednak kiedy już zbliżymy się do sytuacji w której odległość między płytkami tranzystora spadnie do 5 atomów, to możemy się spodziewać występowania efektów relatywistycznych, które oznaczały będą definitywną porażkę krzemu – nie będziemy w stanie stwierdzić, gdzie dany atom się znajduje.

Dodatkowo, takie, jak powyższe sytuacje będziemy już prawdopodobnie rozważać tylko teoretycznie, gdyż, przy tak maciupeńkich elementach, emisja energii (w postaci ciepła) na zewnątrz będzie tak duża, że

układ po prostu się stopi.

Lubię sobie czasami przyrównywać Prawo Moore’a do kamienia toczącego się za Indianą Jonesem, w jednym z kultowych filmów Stevena Spielberga. W tym wypadku w skórę Harrisona Forda wtłaczani są inżynierowie. W filmie, Indiemu udaje się uniknąć śmierci, ale wiadomo już, że rzeczywistość nie będzie dla nas tak różowa. Już raz, co prawda głaz praktycznie przydeptywał nam pięty. A było to, gdzieś tak na początku ubiegłej dekady.

Zorientowano się wtedy, że podkręcanie częstotliwości pracy zegarów jest bezużyteczne, gdyż produkcja tranzystorów zmieniających swój stan szybciej niż, powiedzmy, 4×109 razy na sekundę jest nieopłacalna z ekonomicznego punktu widzenia. Jest to związane z tzw. Skalowaniem Dennarda.

Jego kluczowym elementem jest gęstość mocy, która w przypadku tranzystorów pozostaje stała. Jeśli zmniejszymy długość tranzystora dwa razy, to ilość energii jakiej on wymaga spadnie 4 – krotnie. (…) Prowadzi to jednak to kolosalnego wydzielania ciepła.

A o cieple już wspominałem. Jak już pewnie sami się domyślacie spoglądając na producenckie naklejki na waszych sprzętach, z pomocą w tym wypadku przyszło multiplikowanie rdzeni. Dzięki temu technologia mogła cały czas iść ramię w ramię z Prawem Moore’a.

intel-plany-przyszłość-procesy-technologiczne

Na razie na czele wyścigu w zmniejszaniu procesu technologicznego stoi Intel. Jak dowiadujemy się z grafiki, firma to planuje wprowadzenie tranzystorów mniejszych niż 10 nm już ok 2015 roku. Jeszcze mniejsze wielkości także znajdują się w orbicie zainteresowań, choć nikt nie jest jeszcze w stanie powiedzieć czy z tej orbity trafią kiedykolwiek na Ziemię.

Lecz w całym tym wyścigu musimy się zastanowić

czy faktycznie potrzebujemy jeszcze szybszego krzemu.

Już od jakiegoś czasu można zauważyć, że komputer kupiony nawet 5 lat temu, cały czas daje sobie radę z nowymi grami. Może nie umożliwia już odpalania ich w najwyższych detalach i nie jest demonem szybkości, ale korzystanie z niego wciąż jest komfortowe. Wielu posiadaczy takich sprzętów wciąż nie widzi sensu w zaopatrywaniu się w nowości technologiczne.

Ograniczenia Prawa Moore’a tyczą się rzecz jasna także smartfonów. Które, jak pokazują ostatnie wydarzenia ściągają się na ilość rdzeni w SoC. Jedni producenci dorzucają ich aż 8, inni wyśmiewają taką sztukę dla sztuki. Nie mnie rozsądzać, kto ma w tym sporze rację, gdyż od tego są benchamarki, a także, a może przede wszystkim, skracający się czas pracy na baterii.

W najbliższym czasie premiera next-genów pokaże, czy rzeczywiście to konsole odpowiedzialne były za zastój na pecetowym rynku.

Istnieje jednak rynek dużo ważniejszy niż ten konsumencki

cern

Weźmy np. takie centrum badań w szwajcarskim CERNie, które miałem przyjemność niedawno odwiedzić. Tam potrzebne są gigantyczne moce przerobowe. Pewnie niektórzy powiedzą, „co mi tam CERN, on i tak nic nie zmieni”, ale to to nieprawda. Pochylmy się np. nad takimi neutrinami, które potencjalnie były szybsze od światła. Na razie nie widzimy może dla nich zastosowania, ale jak się dobrze zastanowić, to podobnie było ze Szczególną Teorią Względności, która dla jednych będzie stosem niezrozumiałych wzorów, a dopiero inni zauważą, jak bardzo odkrycia Einsteina zmieniły nasz świat.

Co po krzemie?

No właśnie. Mamy niby kilku faworytów, wśród których przeważają akcje grafenu, ale oto co mówi o nim Colwell:

Jest to może i materiał obiecujący, ale wciąż jego przyszłość jest bardzo wątpliwa.

Są jeszcze komputery kwantowe i molekularne, które stoją już niby u naszych bram, ale na razie skonstruowano tylko dwa ich egzemplarze, które nie zawsze dawały przewidywalne rezultaty (to chyba z definicji). O uszy obiły mi się też komputery biologiczne, które nawet w porównaniu do powyższych wydają mi się kompletną abstrakcją. Toczą się jeszcze badania nad „mrocznym krzemem” (dark silicon).

Którego dnia możemy się obudzić z ręką w nocniku – skończy się era krzemu, a po niej nie nastanie już żadna.

Foto 1, 2, 3