मूर का कानून सीमा तक पहुँच गया है

नोट। लेख के प्रकाशन की तिथि: १२/२६/२०१५ पिछले कुछ समय में, लेखक के कुछ शोधों की पुष्टि वास्तविक तथ्यों से हुई है, और कुछ गलत निकले हैं। प्रति।

पिछले 40 वर्षों में, हमने देखा है कि कैसे कंप्यूटर की गति तेजी से बढ़ी है। आज के सीपीयू की घड़ी की गति 1980 के दशक के पहले पर्सनल कंप्यूटरों की तुलना में एक हजार गुना तेज है। कंप्यूटर पर रैम की मात्रा दस हजार गुना बढ़ गई है, और हार्ड ड्राइव की क्षमता सौ हजार गुना से अधिक बढ़ गई है। इस निरंतर विकास के लिए हम इतने अभ्यस्त हैं कि हम इसे प्रकृति का नियम मानते हैं और इसे मूर का नियम कहते हैं। लेकिन इस वृद्धि की सीमाएं हैं, जिसे गॉर्डन मूर ने खुद इंगित किया था । अब हम भौतिक सीमा के करीब पहुंच रहे हैं, जहां गणना की गति परमाणु के आकार और प्रकाश की गति से सीमित है।

इंटेल से कैनन टिक घड़ी ने यहां और वहां सलाखों को छोड़ना शुरू कर दिया। प्रत्येक "टिक" ट्रांजिस्टर के आकार में कमी से मेल खाती है, और प्रत्येक "टिक" माइक्रोआर्किटेक्चर में सुधार से मेल खाती है। प्रोसेसर की वर्तमान पीढ़ी, जिसे स्काईलेक कहा जाता है, 14-नैनोमीटर प्रक्रिया के साथ ऐसा है। तार्किक रूप से, अगले को 10-नैनोमीटर प्रक्रिया प्रौद्योगिकी के साथ "टिक" होना चाहिए, लेकिन इंटेल अब प्रत्येक "जैसे" के बाद "अपडेट साइकिल" जारी करता है। अगले प्रोसेसर, 2016 के लिए घोषित किया गया, 14-नैनोमीटर प्रक्रिया प्रौद्योगिकी पर , अभी भी स्काईलेक के लिए एक अपडेट होगा। टिक-टैक घड़ी को धीमा करना एक शारीरिक आवश्यकता है, क्योंकि हम एक सीमा तक पहुंच रहे हैं जहां ट्रांजिस्टर का आकार केवल कुछ परमाणु है (एक सिलिकॉन परमाणु का आकार 0.2 नैनोमीटर है)।

एक अन्य शारीरिक सीमा डेटा दर है, जो प्रकाश की गति से अधिक नहीं हो सकती। सीपीयू के एक छोर से दूसरे छोर तक डेटा प्राप्त करने में कई घड़ी चक्र लगते हैं। जैसे-जैसे माइक्रोचिप अधिक से अधिक ट्रांजिस्टर के साथ बड़े होते जाते हैं, वैसे ही माइक्रोचिप पर डेटा ट्रांसफर द्वारा गति सीमित होने लगती है।

तकनीकी सीमाएं केवल एक चीज नहीं हैं जो प्रोसेसर के विकास को धीमा कर देती हैं। एक अन्य कारक बाजार की प्रतिस्पर्धा का कमजोर होना है। इंटेल का सबसे बड़ा प्रतियोगी, एएमडी अब इस पर अधिक ध्यान केंद्रित कर रहा है कि यह त्वरित प्रसंस्करण इकाइयों (एपीयू) को क्या कहता है, जो मिनी-पीसी, टैबलेट और अन्य अल्ट्रा-मोबाइल उपकरणों के लिए एकीकृत ग्राफिक्स के साथ छोटे प्रोसेसर हैं। इंटेल ने अब हाई-एंड पीसी और सर्वर के लिए प्रोसेसर के विशाल बाजार में हिस्सेदारी ले ली है। इंटेल और एएमडी के बीच भयंकर प्रतिस्पर्धा, जिसने कई दशकों तक x86 प्रोसेसर के विकास को धक्का दिया, लगभग गायब हो गया है।

हाल के वर्षों में कंप्यूटर की शक्ति की वृद्धि कंप्यूटिंग गति में वृद्धि से नहीं हुई है, बल्कि समानता में वृद्धि से हुई है। आधुनिक माइक्रोप्रोसेसर तीन प्रकार की समानता का उपयोग करते हैं:

1. उनके क्रम में परिवर्तन के साथ कई टीमों का एक साथ निष्पादन।
2. वेक्टर रजिस्टरों में सिंगल-ऑपरेशन-मल्टीपल-डेटा (SIMD) ऑपरेशन।
3. एक ही चिप पर कई सीपीयू कोर।

इस प्रकार की समसामयिकता सैद्धांतिक सीमा नहीं है, लेकिन वास्तविक व्यावहारिक हैं। उनके आदेश में परिवर्तन के साथ आदेशों का निष्पादन कार्यक्रम कोड में स्वतंत्र टीमों की संख्या तक सीमित है। यदि दूसरी कमांड पहले के परिणाम की प्रतीक्षा कर रही है तो आप एक ही समय में दो कमांड निष्पादित नहीं कर सकते। वर्तमान सीपीयू आमतौर पर एक ही समय में चार कमांड निष्पादित कर सकते हैं। इस संख्या को बढ़ाने से बहुत अधिक लाभ नहीं होगा, क्योंकि प्रोसेसर के लिए कोड में अधिक स्वतंत्र निर्देशों को खोजना मुश्किल या असंभव होगा जिसे एक साथ निष्पादित किया जा सकता है।

वर्तमान AVX2 प्रोसेसर में 16 256-बिट वेक्टर रजिस्टर हैं। आगामी AVX-512 अनुदेश सेट हमें 512 बिट्स के 32 रजिस्टर देगा, और हम भविष्य के एक्सटेंशन में 1024- या 2048-बिट वैक्टर की उम्मीद कर सकते हैं। लेकिन वेक्टर रजिस्टरों में इन बढ़ोतरी का कम और कम प्रभाव पड़ेगा। कुछ कम्प्यूटेशनल कार्यों में इन बड़े वैक्टरों से लाभान्वित होने के लिए पर्याप्त अंतर्निहित समानताएं हैं। 512-बिट वेक्टर रजिस्टर मास्क रजिस्टरों के एक सेट से जुड़े हुए हैं जिनकी आकार 64-बिट है। 2048-बिट वेक्टर रजिस्टर प्रत्येक 32 बिट्स के 64 एकल-सटीक संख्याओं को संग्रहीत कर सकते हैं। यह माना जा सकता है कि इंटेल 2048 बिट्स से अधिक के वेक्टर रजिस्टर बनाने की योजना नहीं बनाता है, क्योंकि वे 64-बिट मुखौटा रजिस्टरों की सीमाओं को पार कर जाएंगे।

कई सीपीयू कोर केवल एक लाभ देते हैं यदि कई गति-महत्वपूर्ण कार्यक्रम एक साथ चल रहे हों, या यदि कार्य कई स्वतंत्र थ्रेड में विभाजित है। धागे की संख्या जिसमें आप लाभकारी रूप से कार्य को विभाजित कर सकते हैं, हमेशा सीमित होता है।

निर्माता कोई संदेह नहीं है कि अधिक से अधिक शक्तिशाली कंप्यूटर बनाने की कोशिश करेंगे, लेकिन क्या संभावना है कि इस कंप्यूटर शक्ति का उपयोग अभ्यास में किया जा सकता है?

संगामिति की चौथी संभावना है जो अभी तक उपयोग नहीं की गई है। प्रोग्राम में आमतौर पर बहुत सारी इफ-ब्रांच होती हैं, इसलिए यदि सीपीयू भविष्यवाणी करना सीखता है कि कौन सी ब्रांच काम करेगी, तो हम इसे क्रियान्वित कर सकते हैं। यदि भविष्यवाणी गलत है तो समय बर्बाद करने से बचने के लिए आप एक बार में कोड की कई शाखाओं को निष्पादित कर सकते हैं। बेशक, आपको इसके लिए बढ़ी हुई ऊर्जा खपत के साथ भुगतान करना होगा।

एक अन्य संभावित सुधार प्रोसेसर चिप पर प्रोग्रामेबल लॉजिक डिवाइस को रखना है। तथाकथित FPGAs के लिए एक समान संयोजन अब आम है, जो उन्नत उपकरणों में उपयोग किया जाता है। व्यक्तिगत कंप्यूटर में इस तरह के प्रोग्रामेबल लॉजिक डिवाइस का उपयोग इमेज प्रोसेसिंग, एन्क्रिप्शन, डेटा कम्प्रेशन और न्यूरल नेटवर्क जैसे कार्यों के लिए विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए विशिष्ट कार्यों को लागू करने के लिए किया जा सकता है।

सेमीकंडक्टर उद्योग उन सामग्रियों के साथ प्रयोग कर रहा है जिनका उपयोग सिलिकॉन के बजाय किया जा सकता है। कुछ III-V सेमीकंडक्टर सामग्री सिलिकॉन की तुलना में कम वोल्टेज और उच्च आवृत्तियों पर काम कर सकती हैं, लेकिन वे परमाणुओं को छोटा या हल्का नहीं बनाते हैं। शारीरिक प्रतिबंध अभी भी लागू होते हैं।

किसी दिन हम तीन आयामी बहुपरत चिप्स देख सकते हैं। यह सर्किट को कसने, दूरी को कम करने और परिणामस्वरूप, देरी करने की अनुमति देगा। लेकिन इस तरह की चिप को प्रभावी ढंग से कैसे ठंडा किया जाए जब ऊर्जा पूरे वितरित की जाती है? नई शीतलन प्रौद्योगिकियों की आवश्यकता होगी। Microcircuit बिना ओवरहीटिंग के एक साथ सभी सर्किटों में बिजली स्थानांतरित करने में सक्षम नहीं होगा। उसे अपने अधिकांश हिस्सों को अधिकांश समय काट कर रखना होगा और उपयोग के दौरान प्रत्येक भाग को बिजली की आपूर्ति करनी होगी।

हाल के वर्षों में, सीपीयू की गति रैम की गति की तुलना में तेजी से बढ़ी है, जो अक्सर एक गंभीर अड़चन बन जाती है। बिना किसी संदेह के, भविष्य में हम रैम की गति को बढ़ाने के कई प्रयास देखेंगे। डेटा ट्रांसफर के लिए दूरी को कम करने के लिए एक सीपीयू (या कम से कम एक मामले) के साथ एक चिप पर रैम डालने की संभावना विकास होगी। यह त्रि-आयामी चिप्स का एक उपयोगी उपयोग होगा। रैम संभवतः एक स्थैतिक प्रकार का होगा, अर्थात, प्रत्येक मेमोरी सेल में बिजली की आपूर्ति तभी की जाएगी जब वह एक्सेस हो।

इंटेल वैज्ञानिक उपयोग के लिए सुपर कंप्यूटरों के लिए बाजार की आपूर्ति भी करता है। नाइट के कॉर्नर प्रोसेसर में सिंगल चिप पर 61 कोर तक होते हैं। इसका कमजोर प्रदर्शन / मूल्य अनुपात है, लेकिन नाइट के लैंडिंग के लिए इसका अपेक्षित उत्तराधिकारी इस संबंध में बेहतर होना चाहिए। यह एक चिप पर 72 कोर तक समायोजित होगा और अपने आदेश में बदलाव के साथ कमांड निष्पादित करने में सक्षम होगा। यह एक छोटा सा आला बाजार है, लेकिन इंटेल इसकी विश्वसनीयता बढ़ा सकता है।

अब मुझे लगता है कि सॉफ्टवेयर की ओर से, प्रदर्शन में सुधार करने के सबसे अच्छे अवसर हैं। सॉफ़्टवेयर डेवलपर्स ने आधुनिक कंप्यूटरों की घातीय उत्पादकता वृद्धि के लिए जल्दी से आवेदन पाया, जो मूर के कानून के लिए धन्यवाद था। सॉफ़्टवेयर उद्योग ने इसका उपयोग करना शुरू कर दिया, और अधिक से अधिक उन्नत विकास उपकरण और सॉफ्टवेयर फ्रेमवर्क का उपयोग करना भी शुरू कर दिया। इन उच्च-स्तरीय विकास साधनों और रूपरेखाओं ने सॉफ्टवेयर विकास में तेजी लाना संभव बना दिया, लेकिन अंतिम उत्पाद के रूप में अधिक कंप्यूटिंग संसाधनों की खपत की कीमत पर। आज के कई कार्यक्रम हार्डवेयर कंप्यूटिंग शक्ति के अपने अत्यधिक खपत में बहुत बेकार हैं।

इन वर्षों में, हमने हार्डवेयर और सॉफ्टवेयर उद्योगों के बीच एक सहजीवन देखा है, जहां बाद में अधिक से अधिक उन्नत और संसाधन-गहन उत्पाद तैयार हुए, जो उपयोगकर्ताओं को अधिक से अधिक शक्तिशाली उपकरण खरीदने के लिए प्रोत्साहित करते हैं। जैसे-जैसे हार्डवेयर प्रौद्योगिकी की विकास दर धीमी होती गई, और उपयोगकर्ताओं ने छोटे पोर्टेबल उपकरणों पर स्विच किया, जहां बैटरी क्षमता प्रदर्शन से अधिक महत्वपूर्ण है, सॉफ्टवेयर उद्योग को अब पाठ्यक्रम बदलना होगा। उसे संसाधन-गहन विकास उपकरण और बहु-स्तरीय सॉफ़्टवेयर पर वापस कटौती करनी होगी और ऐसे कार्यक्रम विकसित करने होंगे जो कार्यों से भरे नहीं हैं। विकास का समय बढ़ेगा, लेकिन कार्यक्रम कम हार्डवेयर संसाधनों का उपभोग करेंगे और सीमित बैटरी जीवन के साथ छोटे पोर्टेबल उपकरणों पर तेजी से काम करेंगे। यदि वाणिज्यिक सॉफ्टवेयर उद्योग अब पाठ्यक्रम में बदलाव नहीं करता है, तो यह अधिक तपस्वी खुले स्रोत उत्पादों को बाजार हिस्सेदारी दे सकता है।