Moores Gesetz Problem. Sonnenuntergang in der Mikroprozessor-Ära, wenn es keine Alternativen gibt.
Das Electronics Magazine veröffentlichte 1965 einen Artikel über die Integration von Komponenten integrierter Systeme, der inzwischen allgemein bekannt ist und von Gordon Moore verfasst wurde, der später die Intel Corporation gründete. Zu einer Zeit war dies eine Sensation, besonders in jenen Tagen, als der Computer selbst gebildeten Menschen unglaublich erschien. Moore führte eine Analyse der Entwicklung der Computertechnologie in den letzten 5 Jahren durch und machte eine Prognose für die nächsten 10 Jahre. Gordon Moore hat das Tempo der Technologieentwicklung buchstäblich festgelegt, und Prozessorentwickler verfolgen es seit vier Jahrzehnten. Dieses Gesetz ist kein wissenschaftliches, physikalisches oder irgendein Gesetz als solches, es ist nur die Beobachtung einer Person über die Entwicklung eines Unternehmens, die plötzlich zu funktionieren begann. Es lohnt sich zu verstehen warum?
Nach diesem Gesetz ist es sehr einfach, die Entwicklung seiner Technologien und die von diesen Technologien bereitgestellten Unternehmen vorherzusagen. Es wurde deutlich, dass genau dies für Unternehmen erforderlich ist: Der Verbraucher erwartet eine Produktivitätssteigerung von zweimal alle zwei Jahre, und der Hersteller muss nicht darüber sprechen, der Verbraucher erwartet dies trotzdem. Man kann auch sagen, dass dieses Gesetz das Entwicklungstempo regelt. Sie können eine bahnbrechende, sehr moderne Technologie schaffen, aber nach langer Zeit wird es unmöglich sein, etwas Technologischeres herauszubringen. Generationsaktualisierung ist für den Hersteller sehr wichtig, die Vorteile des neuen sollten offensichtlich sein, der Preis ist normalerweise niedriger und die Produktivität ist höher. Bis auf ziemlich billige Lösungen. Es ist wichtig, eine große Anzahl nicht zu moderner Lösungen zu verkaufen, und nur auf diese Weise bringt es Einnahmen, eine Aktualisierung ist fast sinnlos. Dies war schon damals offensichtlich, und Intel verabschiedete dieses Gesetz, begann es zu befolgen, und dort zog sich die gesamte Branche hoch. Es ist erwähnenswert, dass solche Gesetze nicht zu gut sind. Ihr Problem ist die sehr geringe Flexibilität der Idee, die Leistung zu erhöhen und gleichzeitig die Größe zu verringern. Auf der Suche nach Macht sind wir ständig mit einer Reihe von Einschränkungen konfrontiert, die wir hier und jetzt lösen müssen, oder das Unternehmen wird keine neue Generation von Prozessoren herausbringen können. Einige Einschränkungen waren sehr mächtig, und es ist ein großer Verdienst der Leute, die die Architekturen dieser Prozessoren erstellt haben, dass sie es geschafft haben, diese Einschränkungen zu umgehen. Dies trieb die gesamte Branche an, eine frühzeitige Präsentation von Technologien in ihrer nicht sehr hochwertigen Form könnte in Zukunft Probleme bereiten. Zu anderen Zeiten erlaubte die Technologie einen echten Durchbruch, aber sie beschlossen, ihn wie einen Albtraum zu vergessen und trotzdem das Gesetz zu befolgen.
Der Entwicklungspfad von Prozessoren unterliegt mehreren Haupteinschränkungen:
-technologische Probleme beim Drucken von Transistoren sehr kleiner Größen.
Diffusion gegen Ionenimplantation.
Zwei Methoden zum Drucken von Halbleitern, die sich grundlegend voneinander unterscheiden. Dies hängt davon ab, wie klein ein technischer Prozess ist, den wir drucken können. Wenn Sie nicht auf eine komplizierte Terminologie eingehen, wird die Diffusion wie folgt beschrieben: Während der thermischen Diffusion befindet sich die maximale Konzentration einer Verunreinigung immer auf der Oberfläche und nimmt mit der Tiefe monoton ab, d.h. Mit einigen Faktoren (Temperatur, Konzentration) können wir die Diffusionsrate steuern, aber der Prozess breitet sich unweigerlich in alle Richtungen aus (Spreads), wodurch die maximal mögliche Prozesstechnologie erhöht wird. Es wurde jedoch durch eine modernere Dotierungsmethode ersetzt: Während der Ionenimplantation ionisieren Dotierstoffatome in einem starken elektrischen Feld und bestrahlen die Oberfläche der Platte mit einer zuvor hergestellten Oxidmaske, die es uns ermöglicht, den Prozess in alle Richtungen zu steuern. Derzeit hat dieses Legierungsverfahren noch Potenzial und muss nicht ersetzt werden.
- Einschränkungen der Kristalldimension
Die Wellenlänge der Lichtausbreitung hängt offensichtlich von ihrer Frequenz ab. Eine Welle mit einer Frequenz von 4000 MHz hat eine Länge von 7,5 cm. Angesichts der Tatsache, dass sich die Welle im Prozessor nicht linear ausbreitet, ist die maximale Größe des Siliziumkristalls des Prozessors noch kleiner, genau die, die wir früher gesehen haben, und Sie können sie nicht größer machen.
- das Problem des hohen Prozessorverbrauchs
Mit zunehmender Frequenz, Anzahl der Transistoren und einigen anderen Faktoren nimmt die Erwärmung direkt proportional zu. Es sollte immer innerhalb angemessener Grenzen liegen, niemand wird einen Prozessor kaufen wollen, der mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden muss. Der Verbrauch nimmt mit abnehmendem Herstellungsprozess ab, weil Das Licht bewegt sich über eine kürzere Strecke und führt zu weniger Wärme. Der Prozessor erwärmt sich ungleichmäßig. Um es jedoch effizient zu kühlen, müssen Sie die Temperatur verteilen.
Der fortschreitende Anstieg des Verbrauchs durch die Prozessorfrequenz in diesem Fall legt einen sehr strengen Rahmen für die maximale Prozessorfrequenz fest. Es war einmal nicht offensichtlich, dass sich jeder den Prozessor der Zukunft mit einer Frequenz vorstellte, die zehnmal höher ist als die, die wir jetzt sehen. Relativ gesehen ergibt eine 2-fache Erhöhung der Prozessorfrequenz den 2-fachen Stromverbrauch und die zweite Wärmeableitung. Trotzdem funktionierte Moores Gesetz in gewisser Weise, auch ohne die Taktfrequenz im Tempo des letzten Jahrhunderts zu erhöhen, und die Prozessoren wurden auf andere Weise wirklich leistungsfähiger.
- Größenbeschränkungen des Siliziumgitters
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Die minimale Abmessung des Halbleitergatters des Transistors wird nicht nur durch Technologien begrenzt, die die kleinstmögliche Elementgröße erreichen, sondern auch durch die Größe des Siliziumkristallgitters. Seine Abmessung beträgt 0,5 Nanometer, aber definitiv kann das Element nicht die gleiche Größe wie das Kristallgitter und nahe daran haben. Es kann gefolgert werden, dass die minimal mögliche Verschlussgröße ungefähr 1 Nanometer betragen kann, aber dies macht keinen Sinn, da so nahe beieinander liegende Verschlüsse nicht mit anderen zusammenarbeiten können, was zu Fehlfunktionen führen kann. Es ist schwierig vorherzusagen, welche Technologien in Zukunft verwendet werden, aber beispielsweise kann eine Verschlussgröße von 4 bis 5 Nanometern als einschränkend angesehen werden, jedoch nur für Silizium.
Moores Gesetz und der moderne Prozessormarkt.
Der Prozessormarkt stagniert seit langem. Die Entwicklung neuer Technologien verlangsamt sich nicht nur, diese Technologien führen auch nicht zu einer offensichtlichen Steigerung der Produktivität. Trotzdem bemerken wir keine Probleme, die neuen Prozessoren sind immer noch leistungsfähiger und besser als die alten. Wenn die Kernleistung ihren Höhepunkt erreicht, helfen Multicore und Multithreading. Die Strategie der Popularisierung von Multicore-Systemen ist eine vielversprechende Entwicklungsstrategie. Es wird von AMD eingehalten. Die Förderung von Multicore ist notwendig, da bei weitem nicht alle Programme und Anwendungen eine große Anzahl von Kernen unterstützen. Einige benötigen sogar einen Hochleistungsthread, dessen Leistung auf einem Mehrkernprozessor schwächer ist als auf einem Prozessor mit weniger als 8 Threads (mit einer ähnlichen Häufigkeit und einem ähnlichen Herstellungsprozess). Aber das müssen Sie ändern. Ein Multi-Core-Prozessor ist viel multitaskingfähiger, wenn das Programm einige Prozessorressourcen verwendet, aber gleichzeitig einen Thread belegt. Ein Multi-Core-Prozessor ist offensichtlich besser und weniger überlastet. Wir können nur warten.