Роберт Колуэлл
Роберт Колуэлл: «Думаю, уже в 2020 году закон Мура станет неактуален». Источник: Wikipedia

В условиях, когда сформулированная одним из основателей корпорации Intel Гордоном Муром знаменитая тенденция, в соответствии с которой число транзисторов на интегрированных схемах удваивается через каждые полтора года, постепенно начинает ослабевать, настало время задуматься о конструкции процессоров, позволяющей увеличивать производительность и дальше.

«Вместо того чтобы стремиться в процессе наращивания быстродействия чипов уменьшить их размеры, инженерам необходимо вносить коррективы или даже фундаментальные изменения в архитектуру микропроцессора, – заявил Роберт Колуэлл, директор по технологиям микросистем DARPA, агентства оборонных перспективных исследований Министерства обороны США, в своем выступлении на конференции Hot Chips в Стэнфорде. – Только таким образом можно добиться дальнейшего повышения производительности процессоров и снижения их себестоимости».

Колэулл отверг аргументы в защиту того, что закон Мура будет работать вечно, и указал, что инженерам необходимо серьезно задуматься об архитектуре и экономике производства чипов.

«Думаю, уже в 2020 году закон Мура станет неактуален, – подчеркнул он. – Осталось всего семь лет. Судя по всему, пределом станет норма проектирования в 7 нм. Конечно, вы можете говорить, что это произойдет не раньше 2022 года, а норму проектирования можно довести и до одного нанометра. Однако не стоит рассчитывать на такое развитие событий. Законы физики против этого».

Закон Мура интерпретируется по-разному. Чаще всего говорят, что количество транзисторов процессора будет удваиваться каждые полтора года, и это приведет к повышению производительности чипа. Колуэлл же попытался внести ясность, указав, что в 1965 году Гордона Мура больше волновала стоимость транзистора, которая с увеличением масштабов снижалась.

«Если вы хотите интегрировать на чипе множество компонентов, на кривой нужно искать оптимальную точку, – заметил Колуэлл. – Если ее не найти, стоимость в пересчете на компонент окажется выше. Если предположить, что объем продаж пропорционален количеству выпущенных процессоров, при определенных условиях производитель сможет получить наибольшую прибыль».

Конечно, размеры элементов нельзя уменьшать бесконечно, но, считает Колуэлл, экономика, а не физика положит конец закону Мура. В тот день, когда производители не смогут вернуть инвестированные в дальнейшее уменьшение чипов миллиарды, можно будет сказать, что закон Мура больше не действует. И нужно внедрять инновации уже сейчас, не дожидаясь, пока экономика производства процессоров рухнет.

Уже сегодня чипы состоят из миллиардов транзисторов, и вскоре возможности дальнейшего наращивания тактовой частоты и производительности будут исчерпаны. Когда кремний начнет буксовать, на какое-то время его жизнь смогут продлить маленькие хитрости и дополнительные настройки вроде регулирования энергопотребления и турборежима. Но конструкторам нужно озаботиться как можно раньше. Фундаментальные изменения архитектуры процессоров помогут нам в дальнейшем совершенствовании вычислительной техники как до завершения закона Мура, так и после прекращения его действия.

Один из возможных подходов заключается в том, чтобы разделить набор инструкций в рамках архитектуры, микроархитектуры, схем, функциональных блоков и других компонентов, интегрируемых сегодня в процессор, и настраивать их с помощью специальных приложений.

«Думаю, что окончание действия закона Мура подтолкнет проектирование разнообразных специализированных устройств, – отметил Колуэлл. – В 70-е годы векторные процессоры выполняли операции с плавающей запятой над целыми массивами. DARPA проводит соответствующие исследования в области квантовых компьютеров, нанотехнологий и распределенных вычислений».

Исследователи в университетах и коммерческих компаниях, занимающихся проектированием процессоров, ищут новые материалы на смену кремнию и разрабатывают передовые производственные технологии. Для практического внедрения новых решений понадобится немало времени, и производителям чипов сегодня приходится полагаться на существующие технологии (например, КМОП), которым в обозримом будущем реальной замены не предвидится.

«КМОП – надежный, проверенный временем вариант, – считает Колуэлл. – Сейчас есть всего две-три альтернативные технологии, достаточно многообещающие. И им тяжело будет соперничать с КМОП».

Добиться увеличения производительности можно было бы за счет использования новых материалов, фотоники, оптики и трехмерных компонентов, в которых транзисторы размещались бы друг над другом.

Помимо компьютерной отрасли, приближение заката закона Мура ощущает и автомобильная индустрия. В последние 30 лет все инновации в автомобилях — навигационные системы, антиблокировка тормозов, системы управления и прочие — реализовывались на основе электроники.

«Все это очень здорово, но сделано на базе компьютеров, – отметил Колуэлл. – И если у нас наступит застой, что нового смогут предложить производители автомобилей при переходе от одного поколения к другому? Последние 20-30 лет они полностью зависели от электроники, и, если мы не обеспечим им потенциал для дальнейшего значительного роста, становится непонятно, что делать дальше».

Колуэлл пустил несколько критических стрел и в адрес своего бывшего работодателя, корпорации Intel, где ему отводилась роль главного архитектора всех процессоров Pentium.

«У Intel с предвидением все очень плохо, – подчеркнул он. – В корпорации не привыкли смотреть далеко в будущее. Ведь через пять лет все изменится, и нужно готовить себе почву уже сегодня. Конечно, кое-что там делается, однако этого недостаточно. Но зато скорость реакции у Intel всегда была на высоте».