Bärbara datorer, mobiler och surfplattor blir billigare, snyggare, mer kraftfulla för varje år, samtidigt som batteritiden blir längre. Har du någonsin undrat varför detta är och om enheter kan fortsätta att förbättras för alltid?
Svaret på den första frågan förklaras av tre lagar som upptäckts av forskare, kända som Moores lag, Dennard-skalning och Koomeys lag. Läs vidare för att förstå effekterna av dessa lagar på datoranvändning och vart de kan leda oss i framtiden.
Vad är Moores lag?
Bildkredit: Steve Jurvetson/Flickr
Om du är en vanlig MakeUseOf-läsare är du möjligen medveten om den mytiska Moores lag.
Intels vd och medgrundare Gordon Moore introducerade det först 1965.
Han förutspådde att antalet transistorer på ett chip skulle fördubblas ungefär vartannat år och bli mellan 20 och 30 procent billigare att tillverka årligen. Intels första processor släpptes 1971 med 2 250 transistorer och en yta på 12 mm2. Dagens CPU:er rymmer hundratals miljoner transistorer per kvadrat millimeter.
Även om det började som en förutsägelse, antog branschen också Moores lag som en färdplan. Under fem decennier tillät lagens förutsägbarhet företag att formulera långsiktiga strategier, med vetskapen om att även om deras design var omöjlig på planeringsstadiet, så skulle Moores lag leverera varorna i rätt ögonblick.
Detta hade en genomslagseffekt på många områden, från den ständigt förbättrade grafiken i spel till det enorma antalet megapixlar i digitalkameror.
Lagen har dock en hållbarhetstid och utvecklingstakten saktar ner. Även om chiptillverkare fortsätter att hitta nya vägar runt gränserna för kiselchips, tror Moore själv att det inte längre kommer att fungera i slutet av detta decennium. Men det kommer inte att vara den första tekniklagen som försvinner.
Vad har någonsin hänt med Dennard Scaling?
Bildkredit: Fred Holland/Wikimedia
1974 observerade IBM-forskaren Robert Dennard att när transistorer krymper förblir deras energianvändning proportionell mot deras area.
Dennard-skalning, som det blev känt, innebar att transistorytan minskade med 50 procent var 18:e månad, vilket ledde till en klockhastighetsökning på 40 procent, men med samma nivå av strömförbrukning.
Med andra ord, antalet beräkningar per watt skulle växa med en exponentiell men tillförlitlig hastighet, och transistorer skulle bli snabbare, billigare och använda mindre ström.
Under Dennard-skalningens tid var förbättring av prestanda en förutsägbar process för chiptillverkare. De har precis lagt till fler transistorer till processorer och ökat klockfrekvenserna.
Detta var också lätt för konsumenten att förstå: en processor som körde på 3,0 GHz var snabbare än en som körde på 2,0 GHz, och processorerna blev allt snabbare. Faktum är att International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) en gång förutspådda klockhastigheter skulle nå 12GHz 2013!
Men idag har de bästa processorerna på marknaden en basfrekvens på bara 4,1 GHz. Vad hände?
The End of Dennard Scaling
Klockhastigheter fastnade i leran runt 2004 när minskningar av strömförbrukningen slutade hålla jämna steg med transistorernas krymphastighet.
Transistorer blev för små och den elektriska strömmen började läcka ut, vilket orsakade överhettning och höga temperaturer, vilket ledde till fel och skador på utrustningen. Det är en av anledningarna till att ditt datorchip har en kylfläns. Dennard Scaling hade nått gränser som dikterades av fysikens lagar.
Fler kärnor, fler problem
Med kunder och hela industrier vana vid ständiga hastighetsförbättringar behövde chiptillverkarna en lösning. Så de började lägga till kärnor till processorer som ett sätt att fortsätta öka prestanda.
Flera kärnor är dock inte lika effektiva som att bara höja klockhastigheten på enheter med en kärna. De flesta program kan inte dra fördel av multiprocessing. Minnescachelagring och strömförbrukning är ytterligare flaskhalsar.
Övergången till flerkärniga chips förebådade också ankomsten av mörkt kisel.
Silikonets mörka tidsålder
Det blev snart uppenbart att om för många kärnor används samtidigt kan den elektriska strömmen läcka, vilket återupplivar överhettningsproblemet som dödade Dennards skalning på enkärniga chips.
Resultatet är flerkärniga processorer som inte kan använda alla sina kärnor på en gång. Ju fler kärnor du lägger till, desto fler av ett chips transistorer måste stängas av eller bromsas, i en process som kallas “mörkt kisel”.
Så även om Moores lag fortsätter att låta fler transistorer få plats på ett chip, tär mörkt kisel på CPU-fastigheter. Därför blir det meningslöst att lägga till fler kärnor, eftersom du inte kan använda dem alla samtidigt.
Att upprätthålla Moores lag med hjälp av flera kärnor verkar vara en återvändsgränd.
Hur Moores lag kunde fortsätta
En lösning är att förbättra multiprocessing av programvara. Java, C++ och andra språk designade för enstaka kärnor kommer att ge vika för sådana som Go, som är bättre på att köra samtidigt.
Ett annat alternativ är att öka användningen av fältprogrammerbara gate arrays (FPGA), en typ av anpassningsbar processor som kan konfigureras om för specifika uppgifter efter köp. Till exempel kan en FPGA optimeras av en kund för att hantera video samtidigt som den kan vara speciellt anpassad för att köra artificiell intelligensapplikationer.
Att bygga transistorer av olika material, som grafen, är ett annat område som undersöks för att pressa mer liv ur Moores förutsägelse. Och långt ner på raden kan kvantberäkning förändra spelet totalt.
Framtiden tillhör Koomeys lag
Under 2011 visade professor Jonathan Koomey att energieffektiviteten med toppeffekt (effektiviteten hos en processor som körs på högsta hastighet) ekade den processorkraftsbana som beskrivs av Moores lag.
Koomeys lag observerade att från 1940-talets vakuumrörsdjur till 1990-talets bärbara datorer hade beräkningarna per joule energi tillförlitligt fördubblats vart 1,57:e år. Med andra ord halverades batteriet som används för en viss uppgift var 19:e månad, vilket resulterade i att energin som behövs för en specifik beräkning minskade med en faktor 100 varje årtionde.
Även om Moores lag och Dennard-skalning var oerhört viktiga i en värld av stationära och bärbara datorer, har sättet vi använder processorer på förändrats så mycket att energieffektiviteten som utlovas av Koomeys lag förmodligen är mer relevant för dig.
Ditt datorliv är sannolikt uppdelat mellan många enheter: bärbara datorer, mobiler, surfplattor och diverse prylar. I denna era av sprida datoranvändning, batteritid och prestanda per watt blir viktigare än att pressa ut mer GHz ur våra många kärnor.
På samma sätt, med mer av vår bearbetning outsourcade till massiva molndatacenter, är energikostnadskonsekvenserna av Koomeys lag av stort intresse för teknikjättar.
Sedan 2000 har dock den industriomfattande fördubblingen av energieffektivitet som beskrivs av Koomeys lag saktat ner på grund av slutet på Dennard-skalningen och inbromsningen av Moores lag. Koomeys lag levereras nu vart 2,6:e år, och under loppet av ett decennium ökar energieffektiviteten med en faktor på bara 16 i stället för 100.
Det kan vara för tidigt att säga att Koomeys lag redan följer Dennard och Moores in i solnedgången. År 2020 rapporterade AMD att energieffektiviteten för dess AMD Ryzen 7 4800H-processor ökade med en faktor av 31.7 jämfört med dess 2014 processorer, vilket ger Koomeys lag en snabb och rejäl uppsving.
Omdefiniering av effektivitet för att utöka Koomeys lag
Toppeffekteffektivitet är bara ett sätt att utvärdera datoreffektivitet och ett som nu kan vara inaktuellt.
Detta mått var mer meningsfullt under de senaste decennierna, när datorer var knappa, kostsamma resurser som tenderade att pressas till sina gränser av användare och applikationer.
Nu kör de flesta processorer med högsta prestanda under bara en liten del av livet, till exempel när de kör ett videospel. Andra uppgifter, som att kontrollera meddelanden eller surfa på webben, kräver mycket mindre kraft. Som sådan är den genomsnittliga energieffektiviteten i fokus.
Koomey har beräknat denna “typiska användningseffektivitet” genom att dividera antalet operationer som utförs per år med den totala energianvändningen och hävdar att den borde ersätta standarden för “peak-use effektivitet” som användes i hans ursprungliga formulering.
Även om analysen fortfarande inte ska publiceras, mellan 2008 och 2020, förväntas den typiska användningseffektiviteten ha fördubblats vart 1,5 år eller så, vilket återställer Koomeys lag till den optimala hastigheten som sågs när Moores lag var i sin bästa tid.
En implikation av Koomeys lag är att enheter kommer att fortsätta att minska i storlek och bli mindre energikrävande. Krympande – men fortfarande höghastighets-processorer kan snart ha så låg effekt att de kommer att kunna hämta sin energi direkt från miljön, som bakgrundsvärme, ljus, rörelse och andra källor.
Sådana allestädes närvarande bearbetningsenheter har potentialen att inleda den sanna tidsåldern av Internet of Things (IoT) och få din smartphone att se lika föråldrad ut som 1940-talets vacuum-tubed behemoths.
Bildkredit: terren i Virginia/Flickr
Men när forskare och ingenjörer upptäcker och implementerar fler och fler nya tekniker för att optimera “typisk användningseffektivitet”, kommer den delen av en dators totala energianvändning sannolikt att sjunka så mycket att vid typiska användningsnivåer kommer endast toppeffekten att vara betydande nog att mäta.
Peak-output-användning kommer att bli måttstocken för energieffektivitetsanalys än en gång. I det här scenariot kommer Koomeys lag så småningom att möta samma fysiklagar som saktar ner Moores lag.
Fysikens lagar, som inkluderar termodynamikens andra lag, betyder att Koomeys lag kommer att upphöra omkring 2048.
Quantum Computing kommer att förändra allt
Den goda nyheten är att vid det laget borde kvantberäkningen vara välutvecklad, med transistorer baserade på enstaka atomer vanligt förekommande, och en ny generation forskare kommer att behöva upptäcka en helt annan uppsättning lagar för att förutsäga framtidens datoranvändning.
Om författaren
Joe McCrossan (9 artiklar publicerade)
Joe McCrossan är en frilansskribent, volontär teknisk felsökare och amatörcykelreparatör. Han gillar Linux, öppen källkod och alla typer av häpnadsväckande innovationer.
Mer från Joe McCrossan
Prenumerera på vårt nyhetsbrev
Gå med i vårt nyhetsbrev för tekniska tips, recensioner, free e-böcker och exklusiva erbjudanden!
Klicka här för att prenumerera
