ملاحظة تاريخ نشر المقال: 12/26/2015. على مدى الماضي ، تم تأكيد بعض أطروحات المؤلف من خلال حقائق حقيقية ، وتبين أن بعضها كان خاطئًا - تقريبًا. عبر.
على مدار الأربعين عامًا الماضية ، رأينا كيف نمت سرعة أجهزة الكمبيوتر بشكل كبير. تتمتع وحدات المعالجة المركزية (CPU) اليوم بسرعة أسرع ألف مرة من أجهزة الكمبيوتر الشخصية الأولى في أوائل الثمانينيات. نمت كمية ذاكرة الوصول العشوائي على الكمبيوتر عشرة آلاف مرة ، وزادت سعة القرص الصلب أكثر من مائة ألف مرة. لقد اعتدنا على هذا النمو المستمر لدرجة أننا نعتبره تقريبًا قانونًا للطبيعة ونطلق عليه قانون مور. ولكن هناك حدود لهذا النمو ، كما
أشار جوردون مور نفسه . نحن نقترب الآن من الحد المادي ، حيث تقتصر سرعة الحسابات على حجم الذرة وسرعة الضوء.
بدأت ساعة القراد الكنسي من Intel في تخطي القضبان هنا وهناك. كل "علامة" تقابل انخفاضًا في حجم الترانزستورات ، وكل "علامة" تتوافق مع تحسن في الهندسة المعمارية الدقيقة. الجيل الحالي من المعالجات ، المسمى Skylake ، هو مثل هذا مع عملية 14 نانومتر. منطقيا ، يجب أن يكون التالي "علامة" مع تقنية معالجة 10 نانومتر ، ولكن إنتل تصدر الآن "دورات التحديث" بعد كل "مثل هذا". سيكون المعالج التالي ، الذي تم الإعلان عنه لعام 2016 ، تحديثًا لـ Skylake ، والذي
لا يزال يستخدم تقنية معالجة 14 نانومتر . يعد إبطاء ساعة Tik-Tak ضرورة جسدية ، لأننا نقترب من حد حيث يكون حجم الترانزستور بضع ذرات فقط (حجم ذرة السيليكون 0.2 نانومتر).
قيود مادية أخرى هي معدل البيانات ، الذي لا يمكن أن يتجاوز سرعة الضوء. يستغرق الأمر عدة دورات على مدار الساعة للحصول على البيانات من أحد طرفي وحدة المعالجة المركزية إلى الطرف الآخر. عندما تصبح الرقائق الدقيقة أكبر مع المزيد والمزيد من الترانزستورات ، تبدأ السرعة في الحد من نقل البيانات على الرقاقة الصغيرة نفسها.
القيود التكنولوجية ليست الشيء الوحيد الذي يبطئ تطور المعالجات. عامل آخر هو ضعف المنافسة في السوق. تركز أكبر منافس Intel ، AMD ، الآن بشكل أكبر على ما تسميه وحدات المعالجة السريعة (APUs) ، وهي معالجات أصغر مع رسومات مدمجة لأجهزة الكمبيوتر المصغرة ، والأجهزة اللوحية وغيرها من الأجهزة المحمولة فائقة. استحوذت Intel الآن على الحصة السوقية الهائلة من المعالجات لأجهزة الكمبيوتر والخوادم المتطورة. لقد اختفت فعليًا المنافسة الشرسة بين Intel و AMD ، التي دفعت تطوير معالجات x86 لعدة عقود.
لم يأت نمو قوة الكمبيوتر في السنوات الأخيرة كثيرًا من زيادة سرعة الحوسبة ، بل من زيادة في التوازي. تستخدم المعالجات الدقيقة الحديثة ثلاثة أنواع من التوازي:
- التنفيذ المتزامن للعديد من الفرق مع تغيير في ترتيبهم.
- عمليات التشغيل الفردي للبيانات المتعددة (SIMD) في سجلات الناقلات.
- نوى CPU متعددة على شريحة واحدة.
هذه الأنواع من التزامن ليس لها حدود نظرية ، ولكن هناك حدود عملية حقيقية. تنفيذ الأوامر مع تغيير ترتيبها محدود بعدد الفرق المستقلة في كود البرنامج. لا يمكنك تنفيذ أمرين في نفس الوقت إذا كان الأمر الثاني ينتظر نتيجة الأول. يمكن لوحدات المعالجة المركزية الحالية تنفيذ أربعة أوامر في نفس الوقت. لن تجلب زيادة هذا الرقم فائدة كبيرة ، لأنه سيكون من الصعب أو المستحيل على المعالج العثور على المزيد من التعليمات المستقلة في التعليمات البرمجية التي يمكن تنفيذها في وقت واحد.
تحتوي معالجات AVX2 الحالية على 16 متجهًا بسعة 256 بت. ستعطينا مجموعة التعليمات AVX-512 القادمة 32 تسجيلًا من 512 بت ، ويمكننا أن نتوقع في الامتدادات المستقبلية لنواقل 1024 أو 2048 بت. ولكن سيكون لهذه الزيادات في سجلات ناقلات تأثير أقل وأقل. عدد قليل من المهام الحسابية لديها موازاة مدمجة كافية للاستفادة من هذه المتجهات الأكبر. ترتبط سجلات المتجه 512 بت بمجموعة من سجلات القناع التي لها حد حجم 64 بت. يمكن أن تسجل سجلات المتجه 2048 بت 64 رقمًا أحادي الدقة لكل 32 بت. يمكن الافتراض أن Intel لا تخطط لإجراء تسجيلات ناقلات لأكثر من 2048 بت ، لأنها ستتجاوز حدود تسجيلات أقنعة 64 بت.
تمنح العديد من نوى وحدة المعالجة المركزية ميزة فقط إذا كان هناك العديد من البرامج المهمة للسرعة تعمل في وقت واحد ، أو إذا تم تقسيم المهمة إلى العديد من سلاسل العمليات المستقلة. دائمًا ما يكون عدد سلاسل العمليات التي يمكنك تقسيم المهمة إليها بشكل مربح محدودًا.
سيحاول المصنعون بلا شك صنع أجهزة كمبيوتر أكثر قوة ، ولكن ما هي احتمالية استخدام طاقة الكمبيوتر هذه في الممارسة العملية؟
هناك احتمال رابع للتزامن الذي لم يتم استخدامه بعد. عادةً ما تحتوي البرامج على الكثير من الفروع إذا كان آخر ، لذلك إذا تعلمت وحدة المعالجة المركزية التنبؤ بالفرع الذي سيعمل ، فيمكننا تنفيذه. يمكنك تنفيذ فروع متعددة من التعليمات البرمجية مرة واحدة لتجنب إضاعة الوقت إذا كان التوقع غير صحيح. بالطبع ، سيكون عليك الدفع مقابل ذلك مع زيادة استهلاك الطاقة.
تحسين آخر محتمل هو وضع جهاز منطقي قابل للبرمجة على شريحة المعالج. توليفة مماثلة شائعة الآن لما يسمى FPGAs ، والتي تستخدم في المعدات المتطورة. يمكن استخدام هذه الأجهزة المنطقية القابلة للبرمجة في أجهزة الكمبيوتر الشخصية لتنفيذ وظائف خاصة بتطبيقات محددة ، لمهام مثل معالجة الصور والتشفير وضغط البيانات والشبكات العصبية.
تقوم صناعة أشباه الموصلات بتجربة المواد التي يمكن استخدامها بدلاً من السيليكون. يمكن أن تعمل بعض مواد أشباه الموصلات III-V بجهد
أقل وترددات أعلى من السيليكون ، لكنها لا تجعل الذرات أصغر أو أبطأ. القيود المادية لا تزال سارية.
في يوم من الأيام يمكننا أن نرى رقائق متعددة الطبقات ثلاثية الأبعاد. سيسمح ذلك بشد الدائرة ، وتقليل المسافة ، وبالتالي التأخير. ولكن كيف تبرد هذه الرقاقة بشكل فعال عندما يتم توزيع الطاقة طوالها؟ سوف تكون هناك حاجة إلى تقنيات تبريد جديدة. لن تتمكن الدائرة المصغرة من نقل الطاقة إلى جميع الدوائر في وقت واحد دون ارتفاع درجة الحرارة. سيتعين عليها إبقاء معظم أجزائها مفصولة عن معظم الوقت وتزويد كل جزء بالطاقة أثناء الاستخدام فقط.
في السنوات الأخيرة ، زادت سرعة وحدة المعالجة المركزية بشكل أسرع من سرعة ذاكرة الوصول العشوائي ، والتي غالبًا ما تصبح اختناقًا خطيرًا. بلا شك ، في المستقبل سنرى العديد من المحاولات لزيادة سرعة ذاكرة الوصول العشوائي. من التطورات المحتملة وضع ذاكرة الوصول العشوائي على شريحة واحدة مع وحدة معالجة مركزية (أو حالة واحدة على الأقل) لتقليل المسافة لنقل البيانات. سيكون هذا استخدامًا مفيدًا للرقائق ثلاثية الأبعاد. من المحتمل أن تكون ذاكرة الوصول العشوائي من النوع الثابت ، أي أنه سيتم توفير الطاقة لكل خلية ذاكرة فقط عند الوصول إليها.
توفر Intel أيضًا السوق لأجهزة الكمبيوتر الفائقة للاستخدام العلمي. يحتوي معالج Knight's Corner على ما يصل إلى 61 نوى على شريحة واحدة. لديها نسبة أداء / سعر ضعيفة ، ولكن خليفتها المتوقع لـ Knight's Landing يجب أن يكون أفضل في هذا الصدد. ستستوعب ما يصل إلى 72 نواة على رقاقة وستكون قادرة على تنفيذ الأوامر مع تغيير ترتيبها. هذا سوق متخصص صغير ، لكن بإمكان Intel زيادة مصداقيتها.
الآن أفضل الفرص لتحسين الأداء ، كما أعتقد ، من جانب البرنامج. سرعان ما وجد مطورو البرمجيات تطبيقًا للنمو المطرد للإنتاجية لأجهزة الكمبيوتر الحديثة ، والذي حدث بفضل قانون مور. بدأت صناعة البرمجيات في استخدامه ، وبدأت أيضًا في استخدام المزيد من أدوات التطوير وأطر البرامج المتقدمة. هذه الأدوات والأطر التطويرية عالية المستوى جعلت من الممكن تسريع تطوير البرمجيات ، ولكن على حساب استهلاك المزيد من موارد الحوسبة كمنتج نهائي. العديد من برامج اليوم تضيع كثيرًا في استهلاكها المفرط لقوة حوسبة الأجهزة.
على مر السنين ، لاحظنا وجود تكافل بين صناعات الأجهزة والبرمجيات ، حيث أنتجت الأخيرة منتجات أكثر وأكثر تقدمًا وكثيفة الموارد وشجعت المستخدمين على شراء معدات أكثر قوة. مع تباطؤ معدل نمو تكنولوجيا الأجهزة ، وتحول المستخدمون إلى الأجهزة المحمولة الصغيرة حيث تكون سعة البطارية أكثر أهمية من الأداء ، سيتعين على صناعة البرمجيات الآن تغيير المسار. سيتعين عليها تقليص أدوات التطوير كثيفة الموارد والبرامج متعددة المستويات وتطوير البرامج التي ليست مليئة بالوظائف. ستزداد أوقات التطوير ، لكن البرامج ستستهلك موارد أجهزة أقل وستعمل بشكل أسرع على الأجهزة المحمولة الصغيرة ذات عمر بطارية محدود. إذا لم تقم صناعة البرمجيات التجارية بتغيير مسارها الآن ، فقد تتخلى عن حصتها في السوق إلى المزيد من المنتجات مفتوحة المصدر.